JP7523793B2 - Migration evaluation device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体部品、電子部品等の端子電極とプリント基板の電極とを接合する接合層(半田部等)の評価方法および接合層の評価装置に関するものである。接合層を評価することにより、接合層の劣化および寿命の評価、サーモマイグレーション(TM)、エレクトロマイグレーション(EM)の評価を実施することができる。 The present invention relates to a method and device for evaluating a bonding layer (solder part, etc.) that bonds a terminal electrode of a semiconductor component, electronic component, etc. to an electrode of a printed circuit board. By evaluating the bonding layer, it is possible to evaluate the deterioration and lifespan of the bonding layer, as well as to evaluate thermomigration (TM) and electromigration (EM).
本発明は、サーモマイグレーション(TM)、エレクトロマイグレーション(EM)に使用する接合層評価装置、接合層評価方法に用いるものである。また、接合層を加熱するヒータチップ、ヒータチップの使用方法、ヒータチップの製造方法、ヒータチップの制御方法、ヒータチップを用いた接合層の評価方法、ヒータチップを用いた評価装置等に関するものである。 The present invention relates to a bonding layer evaluation device and a bonding layer evaluation method used for thermomigration (TM) and electromigration (EM). It also relates to a heater chip for heating a bonding layer, a method for using a heater chip, a manufacturing method for a heater chip, a control method for a heater chip, a bonding layer evaluation method using a heater chip, an evaluation device using a heater chip, etc.
電子機器は、現在、小形・薄型化、さらには高機能・高精度化の傾向にある。それを支える重要な技術が表面実装技術である。この表面実装技術は、高精度なプリント板に、IC、LSI を中心としたチップ部品、電子部品を装着、接続する技術であり、高密度実装方式の切り札となっている。 Currently, there is a trend for electronic devices to become smaller and thinner, and to have higher functionality and precision. An important technology supporting this trend is surface mounting technology. This surface mounting technology is a technology for mounting and connecting chip components, mainly ICs and LSIs, and electronic components to high-precision printed circuit boards, and is the trump card of high-density mounting methods.
電子回路基板の高精度化、実装部品の小型化、狭ピッチ化が進展し、チップ部品、電子部品の電極と電子回路基板の電極との接合が重要になってきている。そのため、電極と電極との接合層の接合状態を定量的に評価できる技術が求められている。 As electronic circuit boards become more precise and mounted components become smaller and narrower in pitch, the bonding between the electrodes of chip components and electronic components and the electrodes of electronic circuit boards is becoming more important. Therefore, there is a demand for technology that can quantitatively evaluate the bonding condition of the bonding layer between electrodes.
従来の電極間の接合層の劣化診断方法として半導体チップを含む電子部品を、電子回路基板上に形成されて配線部上にナノカーボンを含有する半田を介して実装し、電子部品または電子回路基板を加熱しながら、該電子部品の温度分布を測定し、温度分布の測定データに基づいて半田による接合層の劣化を検出していた。 A conventional method for diagnosing deterioration of the bonding layer between electrodes involves mounting electronic components including semiconductor chips on an electronic circuit board via solder containing nanocarbon on the wiring portion, measuring the temperature distribution of the electronic components while heating the electronic components or electronic circuit board, and detecting deterioration of the bonding layer caused by the solder based on the measured data of the temperature distribution.
しかし、半田接合層の熱伝導性を向上させるため、ナノカーボンを含有する半田を使用する必要があること、接合層のクラック等が発生するまで加熱しないと劣化診断ができないという課題があった。また、加熱する温度により劣化状態、劣化寿命が異なり、定量的に接合層の状態を評価できないという課題があった。 However, there were issues with this, such as the need to use solder containing nanocarbon to improve the thermal conductivity of the solder joint layer, and the fact that deterioration could not be diagnosed unless the joint layer was heated until cracks or other defects appeared. In addition, there were issues with the fact that the state of deterioration and deterioration lifespan differed depending on the heating temperature, making it impossible to quantitatively evaluate the state of the joint layer.
従来の接合層105の評価では、接合層105にナノカーボンを含有する半田を使用する必要があった。したがって、実際に使用する接合層105材料を使用することができなかった。そのため、評価結果と、実製品では評価結果の差異が発生していた。
In conventional evaluations of the
また、従来の接合層105の評価では、接合層105を含む箇所を切断して研磨して光学観察あるいはSEM観察が行われていた。そのため、接合層105は破壊評価となり、非破壊では評価することができなかった。
In addition, in conventional evaluations of the
本発明は、フェムト秒レーザ光等でSiC基板106の両面を粗面加工し、粗面加工箇所にNi-P膜111で薄膜ヒータ117、温度プローブ116、電流印加経路124を形成する。薄膜ヒータ117の両端および温度プローブ116には端子電極を配置し、薄膜ヒータ117に電流を印加できるようにして、ヒータチップ109を構成する。
In the present invention, both sides of the
SiC基板106と銅プレート104とは焼結Agペースト125で接続されている。端子電極115には、サーモマイグレーション(TM)用直流電源装置803bから定電流128dが、薄膜ヒータ117に供給される。電流印加経路132には、エレクトロマイグレーション(EM)用直流電源装置803cから定電流128aが供給される。
The
ヒータチップ109としての薄膜ヒータ117に所定の定電流を印加し、定電流による発熱により、半田等による接合層を加熱しつつ、端面の研磨部を赤外線サーモグラフィティカメラ等で観察あるいは測定する。観察あるいは測定は、ポリイミドフィルム107を介して行う。研磨部の接合層の温度を複数点で測定し、複数点間の温度情報△Tを求める。
A predetermined constant current is applied to the
ヒータチップ109より、半田等による接合層等を加熱し、赤外線サーモグラフィティカメラ等で、接合層の温度を測定して、複数点間の温度情報(温度分布)△(デルタ)Tを求める。温度情報△Tにより、接合層の状態を非接触で定量的に評価することができる。
The
温度分布の温度情報(温度分布)△Tに基づいて、接合層の劣化あるいは接合層の特性を容易に検出することが可能となる。また、半田接合層の寿命等の評価を容易に行うことが可能となる。また、劣化状態の検知および寿命の評価の信頼性も高い。 Based on the temperature information (temperature distribution) ΔT of the temperature distribution, it is possible to easily detect deterioration of the bonding layer or the characteristics of the bonding layer. It is also possible to easily evaluate the lifespan of the solder bonding layer. Furthermore, the detection of the deterioration state and the evaluation of the lifespan are highly reliable.
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る接合層の評価方法および接合層評価装置、本発明のヒータチップについて説明をする。 The bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device according to the embodiment of the present invention, and the heater chip of the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
明細書で記載する実施形態では、半田により電極間に形成した接合層を評価するとして説明をする。しかし、本発明は半田等による接合層に限定するものではない。 In the embodiment described in the specification, a bonding layer formed between electrodes by solder is evaluated. However, the present invention is not limited to bonding layers made of solder or the like.
たとえば、銀ペーストあるいは銅ペーストにより接着した接合層、放電加工による形成した接合層、高周波誘導加熱による接合層、電磁誘導加熱による接合層、圧着により接着した接合層等に対しても適用できることは言うまでもない。接合層105は導電性材料には限定されず、たとえば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の有機絶縁物等であってもよい。
For example, it goes without saying that the present invention can be applied to a bonding layer bonded with silver paste or copper paste, a bonding layer formed by electrical discharge machining, a bonding layer formed by high-frequency induction heating, a bonding layer formed by electromagnetic induction heating, a bonding layer bonded by pressure bonding, etc. The
本発明は、加温、あるいは過熱した電極間等に配置あるいは形成された接合層を、赤外線サーモグラフティカメラ等の温度検出手段を用いて観測するものである。したがって、電極を有する電子部品、配線基板等に限定されるものではない。対象物にロックイン信号の電流を印加し、ロックイン信号に同期して、対象物からの赤外線を測定するシステムであってもよい。 The present invention observes a bonding layer that is placed or formed between heated or overheated electrodes, etc., using a temperature detection means such as an infrared thermography camera. Therefore, it is not limited to electronic components or wiring boards that have electrodes. It may also be a system that applies a lock-in signal current to an object and measures infrared rays from the object in synchronization with the lock-in signal.
接続部105は接合層105と呼ぶこともある。接合層105は層状に限定されるものではなく、立体的に、あるいは独立して接合層105として形成または構成されたものであってもよい。また、異なる部材が密着して配置されたものであってもよい。本発明は、接続部の多種多様な構成あるいは構造にも適用できる。
The
発明を実施するための形態を説明するための各図面において、同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、本発明の実施例は、それぞれの実施例を組み合わせることができる。また、図示を容易にするため、理解を容易にするため、本発明の構成において、厚みを厚くあるいは薄く図示する場合があり、また、構成物を縮小あるいは拡大して表示する場合がある。 In each drawing for explaining the form for carrying out the invention, elements having the same function are given the same reference numerals, and explanations may be omitted. Furthermore, the embodiments of the present invention may be combined with each other. Furthermore, in order to facilitate illustration and understanding, the configuration of the present invention may be illustrated as being thick or thin, and the components may be shown reduced or enlarged.
図2は、本発明の接合層評価装置に使用する本発明のヒータチップ109の平面図および断面図である。図2(a)はヒータチップ109の平面図である。図2(b)は図2(a)のAA’線における断面図であり、図2(c)は図2(a)のBB’線における断面図である。
Figure 2 shows a plan view and a cross-sectional view of the
ベース基板106として、SiC(シリコンカーバイド)が例示される。SiCはシリコン (Si) と炭素 (C) で構成される化合物半導体材料である。SiCの単結晶は高熱伝導度であり、内部温度分布が小さく、また、耐熱温度も高く、ベース基板106として好ましい。その他、ベース基板106として絶縁性があり、熱伝導性の良好なサファイアガラス等のガラス基板、アルミナまたは窒化珪素からなるセラミック基板が例示される。
An example of the
SiCセラミックスやAlNセラミックスあるいはAlN(窒化アルミニウム)あるいはAlNを充填した基板のような材料は電気を通さないが、熱は良く通す物質のため、本発明のヒータチップ109の基板106として採用できる。
Materials such as SiC ceramics, AlN ceramics, AlN (aluminum nitride), or substrates filled with AlN do not conduct electricity but are good conductors of heat, and can therefore be used as the
ベース基板106として、窒化アルミニウム(Aluminum nitride, AlN)が例示される。AlNはアルミニウムの窒化物あり、無色透明のセラミックスである。アルミナイトライドともいう。AlNは熱伝導率が180、230W/mKと高い。
ベース基板106として、BeO(ベリリウム酸化物:通称ベリリア)は熱伝導率が270 W/mKと高く、使用できる。
An example of the
As the
AlNは、ホットプレス等でディスク状に加工してセラミック製品にすることがあるが、その基本は粉末である。その粉末の粒径を制御することが求められるが、還元窒化法では0.1μm以下のものから10μm程度のものまで製造できる。シリコン樹脂等にフィラーとして使う場合には、粒径の異なるAlN粒を組み合わせて使うとフィラーの充填率は向上する。 AlN can be processed into ceramic products by processing it into disks using a hot press or other method, but it is basically in powder form. It is necessary to control the particle size of the powder, and the reduction nitridation method makes it possible to produce powder with a particle size ranging from 0.1 μm or less to around 10 μm. When used as a filler in silicon resin, etc., the filling rate of the filler can be improved by combining AlN particles with different particle sizes.
還元窒化法は、アルミナ(Al2O3)とカーボン(C)を混ぜたものを窒化してAlNとする。その後、酸化して、AlN粒の表面を酸化膜で覆う。直接窒化法と比べ、表面酸化膜の厚さは2倍の11Å(オングストローム)程度になる。最後の酸化処理によって、粒表面のイミド基(N-H)やアミド基(N-H2)を除去し、純粋なAlN粒ができる。 In the reduction nitridation method, a mixture of alumina (Al 2 O 3 ) and carbon (C) is nitrided to produce AlN. The mixture is then oxidized to cover the surfaces of the AlN particles with an oxide film. Compared to the direct nitridation method, the thickness of the surface oxide film is about 11 Å (angstroms), twice as thick. The final oxidation process removes the imide groups (N-H) and amide groups (N-H 2 ) from the particle surfaces, producing pure AlN particles.
本明細書では、説明を容易にするため。ベース基板106は、SiCからなる基板として説明をする。ベース基板106は熱伝導性が良好で、絶縁性または半導体性を有する基板であれば、いずれのものであっても採用できることは言うまでもない。
For ease of explanation, the present specification will describe the
ベース基板106の厚みは、0.1mm以上0.8mm以下とする。ベース基板106の厚みは、薄い方が薄膜ヒータ117からの熱が接合層105に伝達されやすい。しかし、ベース基板106の厚みが薄いと、薄膜ヒータ117が形成されている箇所と形成されていない箇所で、接合層105での温度分布が発生しやすい。ヒータチップ109の大きさは、3mm角以上10mm角以下のサイズである。
The thickness of the
本発明は、ヒータチップ109の薄膜ヒータ117の配線幅、接合層105の形成面積、接合層105厚みを考慮して、熱シミュレーションを実施する。熱シミュレーションによりヒータチップ109の大きさ、厚みを設計している。図2において、一例として、ヒータチップ109のサイズは、幅W1は3mm以上30mm以下、幅W2は3mm以上30mm以下である。
薄膜ヒータ117および温度プローブ116はNi(ニッケル)-P、またはNiで形成あるいは構成する。
In the present invention, a thermal simulation is performed taking into consideration the wiring width of the
The
SiC基板106の裏面には、ニッケル-リン(Ni-P)めっきによる薄膜(Ni-P膜111d)が形成され、Ni-P膜111dの表面には金めっき膜112cが形成されている。なお、薄膜111は、Ni-P膜として説明するが、他に、NiあるいはNi-Bで薄膜111を形成してもよい。薄膜111は接合層105と密着良く接合できる材料であれば、いずれの材料物であってもよい。
A thin film (Ni-
ニッケル(Ni)以外に、たとえば、錫、銀、金、銅、鉛、亜鉛、あるいはこれらの合金等が例示される。ただし、適切な抵抗値が存在する必要がある。薄膜ヒータ117等は発熱素子として使用するからである。
Other than nickel (Ni), examples include tin, silver, gold, copper, lead, zinc, and alloys of these. However, an appropriate resistance value must be present, since the
本発明では、接合層105と密着でき、薄膜ヒータ117として用いるため抵抗値が比較的高いニッケル(Ni)膜、またはニッケル-リン(Ni-P)膜を例示している。以後、本明細書あるいは図面では、説明を容易にするため、薄膜111は、Ni-P膜111として説明する。
Ni-P膜111dの膜厚は、1μm以上10μm以下の膜厚が好ましい。特に、2μm以上6μm以下の膜厚にすることが好ましい。
In the present invention, a nickel (Ni) film or a nickel-phosphorus (Ni-P) film is exemplified, which can be in close contact with the
The thickness of the Ni--
金(Au)めっき膜112cの膜厚は0.01μm以上とする。金めっき膜112cはNi-P膜111dの表面の酸化あるいは汚染を防止あるいは抑制する機能を有する。
The thickness of the gold (Au) plating
SiC基板106の表面には、薄膜ヒータ117、温度プローブ116が形成される。薄膜ヒータ117、温度プローブ116は、Ni-Pめっきによる薄膜(Ni-P膜111d)で形成される。Niの他、白金(Pt)で構成あるいは形成してもよい。その他、亜鉛、錫、鉛、クロム等も使用することができる。金属以外、たとえば、炭素(C)で形成することができる。
図3に図示するように薄膜ヒータ117の膜厚(μm)と薄膜ヒータ117の薄膜ヒータ117のシート抵抗値(Ω/sq)は、略線形の関係にある。
A
As shown in FIG. 3, the film thickness (μm) of the
しかし、図3に図示するように、薄膜ヒータ117の膜厚が厚くなると、シート抵抗値(Ω/sq)が相対的に小さくなり非線形の関係となる傾向にある(薄膜ヒータ117の膜厚(μm)>10.0(μm))。また、薄膜ヒータ117の膜厚が薄くなると、シート抵抗値(Ω/sq)が相対的に高くなり非線形の関係となる傾向にある(薄膜ヒータ117の膜厚(μm)<0.1(μm))。SiC基板106の粗面化状態、薄膜ヒータ117が曲線状に形成されているためと思われる。
However, as shown in FIG. 3, as the film thickness of the thin-
薄膜ヒータ117の膜厚とシート抵抗値(Ω/sq)とが線形の関係になる領域を採用することが好ましい。したがって、薄膜ヒータ117の膜厚は、0.1(μm)以上7.5(μm)以下とすることが好ましく、シート抵抗値(Ω/sq)は0.25(Ω/sq)以上1.00(Ω/sq)とすることが好ましい。なお、薄膜ヒータ117の抵抗値は、5Ω以上300Ω以下とすることが好ましい。
It is preferable to adopt a region in which the film thickness of the thin-
温度プローブ116は薄膜ヒータ117と同一材料、同一プロセス工程で形成される。薄膜ヒータ117がNi-P膜の場合、温度プローブ116もNi-P膜で形成される。温度プローブ116は配線幅を細く形成し、全長での抵抗値を高くする。
The
温度プローブ116には定電流を印加する。温度プローブ116の抵抗値を高くすることにより、抵抗値変化が大きくなり、定電流に対する温度プローブ116端子間の電圧変化が大きくなる。したがって、温度プローブ116が検出する薄膜ヒータ117の温度変化に関する感度が良好になる。温度プローブ116の抵抗値は、20Ω以上、1kΩ以下に作製する。
A constant current is applied to the
温度プローブ116の両端には端子電極114a、端子電極114bを形成する。薄膜ヒータ117の両端には端子電極115a、端子電極115bを形成する。端子電極114の表面等には金めっき膜112を形成する。端子電極115の表面等には金めっき膜112を形成する。金めっき膜112cの膜厚は0.01μm以上とする。
薄膜ヒータ117、温度プローブ116上には、金めっき膜112は形成しない。金めっき膜112を形成すると、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の抵抗値が低下し、発熱あるいは温度変化に関する感度が低下するからである。
The
薄膜ヒータ117、温度プローブ116上には、SiO2膜、SiNx膜、SiON膜を形成し、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の表面が酸化あるいは汚染されることを抑制してもよい。
A SiO 2 film, a SiN x film, or a SiON film may be formed on the
117は薄膜ヒータとして説明するが、これに限定するものではない。薄膜ヒータ117は基板106を加熱するために配置または形成したものである。薄膜ヒータ117の代替えとして、ニクロム線を組み込んだ面ヒータ、ペルチェ素子を用いたヒータ等を使用してもよい。ニクロム線を組み込んだ面ヒータ、ペルチェ素子に流す電流によりベース基板106を加熱することができる。
117 will be described as a thin-film heater, but is not limited to this. Thin-
端子電極114および端子電極115には、リード線121を半田付け、あるいはプローブ(図示せず)を圧接し、電流電源装置803が出力する定電流を端子電極114または端子電極115に印加する。
Lead wires 121 are soldered to
図4、図5は、本発明のヒータチップ109の製造方法の説明図である。図4はヒータチップの製造方法を示すフローチャートである。図5(a)~図5(f)は、ヒータチップ109の製造方法を説明するための説明図である。
Figures 4 and 5 are explanatory diagrams of the manufacturing method of the
SiC基板106の表面にマスク501を塗布する(図4 S11、図5(b))。マスク501としては、アルカリ可溶タイプのアクリルポリマーを含むものが好ましい。
A
次に、フェムト秒レーザ装置を用いて、SiC基板106の表面を粗化する(図4 S12、図5(c))。フェムト秒レーザ光502、またはピコ秒レーザ光502を照射し、SiC基板106の表面の、薄膜ヒータ117、温度プローブ116、端子電極114、端子電極115に対応する部分を除去して、角溝状の凹部503を形成する。フェムト秒レーザ光502等の照射により、凹部503の底面および側面は粗化(粗面化)される。
Next, the surface of the
フェムト秒レーザ光502による粗面化は、端子電極114、端子電極115に対応する箇所にも実施される。粗面化される箇所に、Ni-P膜111が形成される。
The roughening using the
端子電極114、端子電極115部は粗化される面積が大きい。温度プローブ116部は粗化される線幅が細い。温度プローブ116部は粗化を大きくする(粗化により発生する凹凸を深くする)ように、粗化される面積に依存して粗化状態を変化させることが好ましい。
粗化状態は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
The
The roughened state can be easily achieved by changing or setting the laser intensity of the
SiC基板106に裏面にも、Ni-P膜111dが形成される。したがって、SiC基板106のNi-P膜111dが形成される箇所にも、フェムト秒レーザ光502による粗面化が実施される。
The Ni-
フェムト秒レーザ装置は、一般にパルス幅が、サブピコ秒から数十フェムト秒のフェムト秒レーザ光502を発生する。サブピコ秒から数十フェムト秒の超短パルスのレーザ光502を材料に照射した場合、材料の熱拡散特性時間に比べてパルス幅が十分に短いため、光エネルギーを有効に照射部に投入できる。
A femtosecond laser device generally generates
その結果、照射周辺部への熱影響が局限することが可能で、高精度な微細加工が実現できる。また、レーザ光の電場強度が非常に高いので、ビームが集光されたところにのみ、空間選択的に多光子吸収、多光子イオン化等の非線形作用を誘起することができる。 As a result, it is possible to limit the thermal effects to the periphery of the irradiation, enabling highly accurate micromachining. In addition, because the electric field strength of the laser light is extremely high, it is possible to induce nonlinear effects such as multiphoton absorption and multiphoton ionization in a spatially selective manner only where the beam is focused.
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117、温度プローブ116を形成する部分に対応するマスク501の部分が除去され、凹部503が形成される。
By irradiating a pulse of
配線のパターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)は、マスク501の表面に形成されたマークに基づいて行ってもよい。SiC基板106上に形成された十字マーク130(図示せず)等に基づいて位置決めを行う。
Patterning of wiring (
SiC基板106上に形成された十字マーク130をカメラで取り込み、十字マーク130を画像認識して十字マーク130位置と設計座標を比較し、パターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)位置(レーザ光を照射する箇所)に位置決めしてレーザ光502を照射する。
The
SiC基板106に対し、酸性脱脂剤を用い、たとえば45℃、5分の条件で脱脂を行う(図4 S13)。塩酸系水溶液を用いてプリディップ処理を行う(図4 S14)。保持時間は、一例として、2分である。
The
次に、Sn-Pd触媒504を凹部503の表面、およびマスク501の残存している部分の表面に付与する(図4 S15、図5(d))。Sn-Pd触媒504はコロイド状の粒子であり、Sn-Pdの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
Next, the Sn-
次に、活性化を行う(図4 S16)。Sn-Pd触媒504を付与したSiC基板106を塩酸系の溶液に浸漬することでSnの層が除去され、内部のPd触媒が露出する。Pd触媒が露出するので、Sn-Pd触媒504が存在する部分において、無電解Ni-Pめっき液による反応が生じる。
Next, activation is performed (Fig. 4 S16). The
アルカリ溶液を用いて、マスク501を剥離する(図4 S17、図5(e))。SiC基板106のマスク501が剥離された部分にはSn-Pd触媒504が存在しない。
The
アルカリ溶液を用いて、マスク501を剥離する(図4 S17、図5(e))。SiC基板106のマスク501が剥離された部分にはSn-Pd触媒504が存在しない。
The
SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、薄膜ヒータ117、温度プローブ116が形成される(図4 S18、図5(f))。無電解Ni-Pめっき液としては、酸性領域から中性領域で次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする還元析出型の無電解Ni-Pめっき液を用いることができる。
Electroless Ni-P plating is performed on the surface of the
キレート剤としては、リンゴ酸、またはクエン酸、またはマロン酸、酒石酸等のオキシカルボン酸、または酢酸やコハク酸等のモノカルボン酸、アンモニアやグリシン等のアミン類を単独もしくは複数併用して用いることができる。 As the chelating agent, malic acid, citric acid, malonic acid, tartaric acid, and other oxycarboxylic acids, acetic acid, succinic acid, and other monocarboxylic acids, and ammonia, glycine, and other amines can be used alone or in combination.
無電解Ni-Pめっき液中の還元剤がSiC基板106上で電子を放出するように触媒として機能するPdが付与されている。したがって、無電解Niめっき液中のNiイオンが、還元剤の酸化反応で放出される電子によって還元され、SiC基板106の表面に析出し、薄膜ヒータ117、温度プローブ116が形成される。
Pd is added to act as a catalyst so that the reducing agent in the electroless Ni-P plating solution releases electrons on the
本実施形態によれば、難めっき材料からなるSiC基板106に対して、特殊な薬液またはフォトリソグラフィの技術を用いることなく、容易に、密着性が良好であるNi-Pめっきを行うことができる。
According to this embodiment, Ni-P plating with good adhesion can be easily performed on the
本実施の形態においては、マスク501を用い、薄膜ヒータ117、温度プローブ116に対応するSiC基板106の粗化部分のみにSn-Pd触媒504を残存させて、めっきを行うので、薄膜ヒータ117、温度プローブ116のパターニングの精度が良好であり、表面研磨が不要である。
In this embodiment, a
配線パターンに対応する部分以外の部分がマスク501により保護された状態で、配線パターンが容易に形成される。粗化部111のみに無電解Ni-Pめっきを行うので、所望の厚みの薄膜ヒータ117等を形成することができる。
The wiring pattern can be easily formed while the areas other than those corresponding to the wiring pattern are protected by the
ヒータチップ109は1つのSiC基板に複数個がマトリックス状に、かつ同時に作製される。各ヒータチップ109は、Ni-P膜が形成後、各ヒータチップ109の外枠部に、炭酸ガスレーザ光、YAGレーザ光等が照射されて削られ(レーザダイシング)、個片に分割される。また、ダイシング加工(湿式)、スクライブ(乾式)により、ヒータチップ109個片に分割してもよい。
図6は、本発明の実施の形態に係る接合層評価装置の構成についての説明図である。図6(a)は作製されたヒータチップ109を示す。図6(a)のヒータチップ109は図6(b)に図示するように、銅プレート104と接合層105で接合される。
Figure 6 is an explanatory diagram of the configuration of a bonding layer evaluation device according to an embodiment of the present invention. Figure 6(a) shows a fabricated
銅プレート104は説明を容易にするため、銅からなる基板として説明するがこれに限定するものではない。熱伝導性のよい基板あるいはシートであればいずれのものであってもよい。たとえば、カーボングラファイトからなる基板、シートが例示される。
For ease of explanation, the
銅プレート104は0.1mm以上2mm以下の銅板である。銅プレート104は、無酸素銅板であることが好ましい。銅プレート104の表面には、Ni-P膜111aが形成される。また、銅プレート104の表面には、Ni-P膜111bが形成される。Ni-P膜111a、Ni-P膜111bの膜厚、形成方法は、Ni-P膜111aと同様であるので説明を省略する。また、Ni-P膜111の表面には金めっきで金を形成することが好ましい。
The
本発明の実施例では、104は銅プレートとして説明するが、これに限定するものではない。プレート104の表面に半田と接合するNi-P膜111が良好に形成されており、熱伝導性が良好なプレートであれば、銅以外の材質でプレート104を形成してもよい。たとえば、銀(Ag)、チタン(Ti)、セラミック等であってもよい。
In the embodiment of the present invention, 104 is described as a copper plate, but this is not limited to this. As long as the Ni-
たとえば、セラミックプレート、ステンレスプレート、ニッケルプレート、銀プレートが例示される。本明細書では説明を容易にするため、銅(Cu)プレート104として説明をする。
Examples include a ceramic plate, a stainless steel plate, a nickel plate, and a silver plate. For ease of explanation, this specification will be described as a copper (Cu)
Ni-P膜111aの表面には金めっき膜112aが形成され、Ni-P膜111bの表面には金めっき膜112bが形成される。金めっき膜112a、金めっき膜112bの形成方法は、金めっき膜112cと同様であるので説明を省略する。
A
ヒータチップ109のNi-P膜112cと銅プレート104のNi-P膜112aとの間に評価する接合層105が形成される。一例として、接合層105は半田であり、半田シート(半田クリーム)が銅プレート104上にスクリーン印刷される。半田シート上にヒータチップ109が実装される。実装後、銅プレート104とヒータチップ109は一体として一定条件に設定されたリフロー炉に投入される。なお、半田シートの代わりに半田ペーストを用いても良い。
The
接合層105は、半田等による接合層に限定するものではない。たとえば、銀ペーストあるいは銅ペーストにより接着した接合層、放電加工による形成した接合層、高周波誘導加熱による接合層、電磁誘導加熱による接合層等に対しても適用できることは言うまでもない。また、有機物を押圧して接着した接合層、絶縁物も接合層であり、赤外線サーモグラフティカメラ108等で温度情報△Tを測定することができる。
The
赤外線サーモグラフティカメラ108は、接合層105等を2次元的な温度分布を測定できる。2次元的に測定することにより、A点、B点等を中心に温度の変化を視覚的に表現および測定することができる。しかし、A点、B点等、特定の位置の温度情報△Tを得る目的であれば、放射温度計で測定することにより温度情報△Tを取得できる。
本明細書では、説明を容易にするため、接合層105は半田クリームまたは半田シートをリフロー工程で加熱することにより形成したものとして説明をする。
リフロー工程で半田付けする場合は、あらかじめ半田クリーム等を指定の場所に印刷しておき、リフロー炉で加熱し溶かすことによって部品と接合する。
The
For ease of explanation, the present specification will be described assuming that the
When soldering using the reflow process, solder cream or the like is printed in advance on the designated locations, and then the solder is heated and melted in a reflow furnace to join the components.
半田クリームは印刷された状態は一見、正常に半田付けされたように見えるが、半田は、まだ細かい粒の状態なので正常な機能を果たせない。これをリフロー炉で加熱することで粒同士だった半田が接合し、フラックスも熱で気化させることで、通常の半田と同じ状態なり、半田付けされる。 When the solder cream is printed, it looks like the soldering has been done properly, but the solder is still in a fine grain state and cannot function properly. By heating it in a reflow furnace, the solder grains join together, and the flux is vaporized by the heat, so the part becomes the same state as regular solder and is soldered.
フロー半田で溶けている半田の温度とリフロー半田の炉の温度も異なる。使用部品の熱耐性を理解し、適正な工程設計をすることが重要になる。本発明の接合層評価装置で、接合層の温度情報△Tを測定することにより、接合層を定量的に評価し、また、詳細な設計ができるようになる。 The temperature of the molten solder in flow soldering is different from the temperature of the furnace in reflow soldering. It is important to understand the heat resistance of the components used and to design the process appropriately. By measuring the temperature information ΔT of the bonding layer with the bonding layer evaluation device of the present invention, it is possible to quantitatively evaluate the bonding layer and also to carry out detailed design.
本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置では、ヒータチップ109で接合層105を加熱し、加熱条件(リフロー炉条件)に対応する変化あるいは加熱状態を異ならせる。また、接合層の材料混合状態(フラックスと半田の混合割合等)、使用材料の差異(フラックスあるいは半田材料の差異等)を異ならせて形成した接合層105を形成する。
In the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention, the
形成した接合層105を赤外線サーモグラフティカメラ108で測定し、温度分布状態、温度情報△T等を取得する。温度情報△Tの取得により、接合層の寿命、接合特性を定量的に評価する。
The formed
図6(b)に図示するように、ヒータチップ109と銅プレート104は接合層105で接合される。次に、図6(c)に図示するように、A方向から、ヒータチップ109、銅プレート104、接合層105は同時に、CC’線まで研磨加工される。
As shown in FIG. 6(b), the
研削加工とは、一例として、砥石車と呼ばれる円状の大きな工具を高速回転させ、その表面を加工するものに当てることにより、その表面を滑らかな状態に整える。この砥石車の表面には大きめの砥粒が無数につけられており、これによって対象物の表面の微小突起等を削ることができる。 One example of grinding is the process of quickly rotating a large circular tool called a grinding wheel and bringing the surface of the object to be processed into a smooth surface. The surface of this grinding wheel is fitted with countless large abrasive grains, which can be used to remove tiny protrusions from the surface of the object.
好ましくは、研磨加工は、CP(Cross section polisher)加工(イオンミリング)で行うことが好ましい。CP加工(イオンミリング)とは、集束していないブロードなアルゴンイオンビームを試料に照射し、試料原子を弾き飛ばすスパッタリング現象を利用して試料を削る方式である。試料の表面にアルゴンイオンビームを入射させ、加工して試料を作製する。CP加工では、研磨面に熱が発生せず、接合層105での熱による影響がない。
The polishing process is preferably performed by CP (Cross section polisher) processing (ion milling). CP processing (ion milling) is a method of cutting a sample by irradiating a broad, unfocused argon ion beam onto the sample, utilizing the sputtering phenomenon that ejects sample atoms. The argon ion beam is incident on the surface of the sample, and the sample is processed to produce the sample. With CP processing, no heat is generated on the polished surface, and there is no effect of heat on the
次に、図6(d)に図示するように、研磨加工した面に感光性ポリイミド膜を形成する。感光性ポリイミド膜は、スピンコート方法、スリットコート方法、スクリーン印刷による方法、インクジェットによる吹付ける方法、スプレーコート方法、ダイコート方法、ドクターナイフコート方法、フレキソ印刷等により、研磨加工した面に形成される。感光性ポリイミド膜を形成する箇所は少なくも接合層105を含む。
Next, as shown in FIG. 6(d), a photosensitive polyimide film is formed on the polished surface. The photosensitive polyimide film is formed on the polished surface by a method such as spin coating, slit coating, screen printing, inkjet spraying, spray coating, die coating, doctor knife coating, or flexographic printing. The area where the photosensitive polyimide film is formed includes at least the
図6(d)の矢印に図示するように、露光は、任意のパターンを有するフォトマスクを介して、200~2000mJの照射量、紫外線等を照射することにより行う。 As shown by the arrow in FIG. 6(d), the exposure is performed by irradiating ultraviolet light, etc., through a photomask having an arbitrary pattern with an exposure dose of 200 to 2000 mJ.
現像液としては、アルカリ現像液、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、アンモニア水等の無機アルカリ等の水溶液を用いることができる。現像は、15℃~60℃程度で0.5分間~10分間程度行われる。硬化のための加熱は、120℃~200℃程度で30分間~120分間程度行われる。 As the developer, an alkaline developer, for example, an aqueous solution of an inorganic alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, sodium silicate, sodium metasilicate, or aqueous ammonia, can be used. Development is carried out at about 15°C to 60°C for about 0.5 to 10 minutes. Heating for curing is carried out at about 120°C to 200°C for about 30 to 120 minutes.
物体は表面から赤外線を放射しており、物体表面の温度は赤外線の量によって決まる。また、赤外線は空間を伝ってエネルギーを運ぶという特徴がある。この空間を伝ってきた赤外線を、赤外線サーモグラフティカメラ108は光学的に読み取り、物体と接触させることなく温度を測定する。赤外線サーモグラフティカメラ108はオートフォーカスの機能を有する。
Objects radiate infrared rays from their surfaces, and the temperature of the object's surface is determined by the amount of infrared rays. Infrared rays also have the characteristic of transmitting energy through space. The
測定対象物が放射する実際の熱放射エネルギー量と、同じ温度の完全放射体(黒体)の熱放射エネルギー量の比を放射率と呼ぶ。
完全放射体(黒体)はそこに入射する全てのエネルギーを吸収し、その温度に対応したエネルギーを熱放射する。赤外線サーモグラフティカメラ108では完全放射体(黒体)の放射率を1.0として校正されており、実際の物体測定では放射率を予め設定し、補正する。
The ratio of the actual amount of thermal radiation energy radiated by the object being measured to the amount of thermal radiation energy of a perfect radiator (black body) at the same temperature is called emissivity.
A perfect radiator (black body) absorbs all the energy incident on it and radiates thermal energy corresponding to its temperature. The
研磨加工面の構成材料あるいは構成組成が異なると、熱放射エネルギー量の比である放射率が異なる。しかし、研磨加工面の構成材料あるいは構成組成に、補正をすると補正による差異が発生する可能性がある。また、研磨された金属のように反射率の高い物体は放射率の測定に適さない。 If the constituent material or composition of the polished surface differs, the emissivity, which is the ratio of the amount of thermal radiation energy, will differ. However, if corrections are made to the constituent material or composition of the polished surface, there is a possibility that differences will occur due to the corrections. In addition, objects with high reflectivity, such as polished metals, are not suitable for measuring emissivity.
図6(d)に図示するように、本発明は、研磨加工面の接合層105に感光性ポリイミド膜107を形成する。感光性ポリイミド膜107の放射率を測定し、予め設定しておけば、研磨加工面の構成材料あるいは構成組成の影響を受けず、形成した接合層105を赤外線サーモグラフティカメラ108、放射温度計等で測定し、温度分布状態、温度情報△T等を精度よく取得することができる。温度情報△T等の取得により、接合層の寿命、接合特性を定量的に評価できる。
As shown in FIG. 6(d), the present invention forms a
以上の実施例では、研磨加工面に感光性ポリイミド膜107を形成するとしたが、これに限定するものではない。たとえば、耐熱性のポリイミドフィルム107を貼り付けてもよい。また、耐熱性のポリイミドフィルム107を接合層105等に密着して配置してもよい。
In the above embodiment, a
ポリイミドフィルム107あるいはポリアミドフィルム107として、米国デュポン社のカプトン(登録商標)、宇部興産のユーピレックス(登録商標)、ユニチカのユニアミド(登録商標)が例示される。
Examples of
赤外線サーモグラフティカメラ108、放射温度計等の非接触温度測定手段は、赤外線放射を温度測定に利用するため、測温抵抗体や熱電対と比べ応答速度が早い。熱容量の小さい物体、熱伝導率の小さい物体、微小面積の物体の温度測定が可能である。非接触で温度測定を行うことができる。
Non-contact temperature measurement means such as
図6(c)で説明したように、観察面はCC’線で研磨される。研磨により表面に平滑化され、良好な観察ができる。研磨された接合層は、反射率が高い場合があり、この場合は放射率の測定に適さない。 As explained in Figure 6 (c), the observation surface is polished at the CC' line. Polishing smoothes the surface, allowing for good observation. The polished bonding layer may have a high reflectance, in which case it is not suitable for measuring emissivity.
本発明は、研磨され観察する面に、感光性ポリイミド膜、ポリイミドフィルム107、ポリアミドフィルム107等を形成または配置することにより、観察面からの放射率を安定させ、定量的に放射率を測定できる。
なお、感光性ポリイミド膜は、硬化させず、塗付状態であっても放射率は安定して測定することができる。
In the present invention, by forming or placing a photosensitive polyimide film,
Incidentally, the emissivity of the photosensitive polyimide film can be stably measured even in the applied state without being cured.
次に、図6(e)に図示するように、銅プレート104と加熱冷却プレート101とを取り付ける。取り付けは、一例として、放熱(伝熱)グリス118を使用する。放熱(伝熱)グリス118で、変性シリコンのグリスが例示される。この放熱(伝熱)グリスに、熱伝導率の高い金属あるいは金属酸化物の粒子(フィラー)を混合したものを採用することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 6(e), the
粒子として主に用いられるのは銅や銀、アルミニウム等の他に、アルミナや酸化マグネシウム、窒化アルミニウム等も用いられる。これらの単体、もしくは混合物を、それらの粒子直径に見合った分散方法を用いて分散させる。 The main particles used are copper, silver, aluminum, etc., but also alumina, magnesium oxide, aluminum nitride, etc. These elements or mixtures are dispersed using a dispersion method appropriate for their particle diameter.
塗布直後は適度な粘度を維持しても、使用後時間が経過すると劣化し硬化することがある。そのため固形化した放熱(伝熱)グリスに、接合する材質の線膨張係数の差によってクラックが入る場合があり、伝導特性が低下する場合がある。 Even if the grease maintains a suitable level of viscosity immediately after application, it may deteriorate and harden over time after use. As a result, cracks may appear in the solidified heat dissipation (heat transfer) grease due to differences in the linear expansion coefficient of the materials being joined, which may result in a decrease in the conductive properties.
放熱(伝熱)グリス118との接続は、上下を押さえつけるだけでも良いが、特に高温が想定される場合は、低温リフローを実施し、確実な密着を確保することが好ましい。
The heat dissipation (heat transfer)
図6(e)に図示するように、接合層105および当該近傍を、ポリイミド、ポリアミドのフィルムまたは膜を介して、赤外線サーモグラフティカメラ108等で観察する。
As shown in FIG. 6(e), the
赤外線サーモグラフティカメラ108はXYZステージ110に搭載される。XYZ(X軸、Y軸、Z軸)ステージ110は、X軸方向(左右方向)の移動と位置決め、Y軸方向(接合層105とカメラ108の距離)の移動と位置決め、Z軸方向(上下方向)の移動と位置決めを行う。XYZステージ110の軸移動は1μmの位置決め精度を有する。また、必要に応じて、θ方向にも回転する。
The
加熱冷却プレート101をXYZステージ110に搭載あるいは積載し、加熱冷却プレート101をX軸、Y軸、Z軸方向に移動あるいは位置決めしても良いことは言うまでもない。
図1は、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置の説明図である。加熱冷却プレート101内には、循環水パイプ102が配置されている。
It goes without saying that the heating/
1 is an explanatory diagram of a bonding layer evaluation method and a bonding layer evaluation device according to the present invention. A circulating
チラー(冷却・加温装置)103と、加熱冷却プレート101、加熱冷却プレート101とチラー103間を循環する循環水パイプ102を有する。加熱冷却プレート101には、評価対象物の接合層105を有するヒータチップ109および銅プレート104が積載されている。
It has a chiller (cooling/warming device) 103, a heating/
薄膜ヒータ117には、電流電源装置803bから端子電極115a、端子電極115bを介して、定電流Ib(図9参照)を印加する。温度プローブ116は、電流電源装置803aから端子電極114a、端子電極114bを介して、定電流Ia(図9を参照)を印加する。
薄膜ヒータ117に定電流Iaを流し、接合層105を加熱する。評価結果あるいは評価の途中に、評価サンプルの評価を停止、あるいは制御方法を変更する。
A constant current Ib (see FIG. 9) is applied from a current
A constant current Ia is applied to the
赤外線サーモグラフティカメラ108で観察して取得される温度情報△Tあるいは温度情報△Tの変化で、評価サンプルの特性変化を判定あるいは判定する。あるいは、接合層105の特性、状態を評価する。
本発明の接合層の評価方法において、接合層105の劣化、あるいは特性変化にあわせて、外部条件を変更あるいは設定する。
A change in the characteristics of the evaluation sample is determined or judged based on the temperature information ΔT or a change in the temperature information ΔT obtained by observation with the
In the method for evaluating the bonding layer of the present invention, the external conditions are changed or set in accordance with the deterioration or characteristic change of the
たとえば、接合層105の変化が大きい場合あるいは、接合層105の温度が所定値より高い場合は、ヒータチップ109に流す電流Ibを小さくする。また、循環水パイプ102に流れる冷媒(水等)の温度を下げる。接合層105の変化が小さい場合、あるいは、接合層105の温度が所定値より低い場合は、ヒータチップ109に流す電流Ibを大きくする。また、循環水パイプ102に流れる冷媒(水等)の温度を上げる。
For example, if the change in the
チラー103は水や熱媒体の液温を管理しながら循環させることで、機器等の温度を一定に保つことができるように構成されている。主に冷却に用いる場合が多いが、冷やすだけでなく温めることもできる。様々な温度の制御を実施できるように構成している。
The
なお、本明細書では循環水として説明するが、水に限定されるものではない。エチレングリコール、グリセリン等でも良いし、強制空冷であってもよい。チラー103は循環水パイプ102内の液体を、たとえば、水温マイナス1℃からプラス100℃までの範囲で制御して試験ユニットの加熱冷却プレート101に供給する。加熱冷却プレート101は十分に大きな熱容量を持っている。
Note that although circulating water is described in this specification, it is not limited to water. It may be ethylene glycol, glycerin, etc., or forced air cooling. The
上記実施形態では加熱冷却プレート101を使用したが、加熱プレートと冷却プレートを別体とし、加熱冷却プレート以外の熱源・冷熱源を用いて加熱・冷却するものであってもよい。
In the above embodiment, a heating/
本発明の接合層の評価方法、接合層評価装置では、接合層105および当該近傍の温度分布状態を測定、あるいは取得することにより、接合層105を定量的に評価する。
The bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention quantitatively evaluate the
接合層105等は、接合層105内のボイドの状態、半田の金属材料の合金割合、フラックスの含有、半田の金属材料の種類、半田金属材料への不純物の溶融割合で特性等が異なる。これらは、リフロー条件(温度、時間、温度変化速度)等によっても変化あるいは異なる。
The characteristics of the
通常のボイドは主にガス化したフラックスがフィレット内にとどまって発生する。リードが細い、または小さい場合には、半田量が十分であれば融点以上を長くすることでかなり解消することができる。これは、フラックス効果で溶融半田の表面張力が抑えられ、熱対流することによってガスがフィレット内部から放出され、解消される。同時に、基板や部品リード表面からのガスも放出される。
パッケージあるいは実装部品形態であるBGA、CSPでは部品の下に半田が印刷されるため、発生したガスは部品下部にとどまりやすくなるが、ボール分だけ部品と基板に隙間があるので、半田の流動性が保持される限りにおいて、ガスはボール内から外へ放出される。
逆に、リードレス部品やパワー系部品では部品と基板ランド間に隙間がないので、発生ガスやフラックス残渣はそのまま部品下にとどまり、大きなボイドを形成する。
ボイドは実装時に発生したガスが、半田の流動性不足や溶融時間の短さ等の理由で外部に排出されなかった際に発生する。
Normal voids are mainly caused by gasified flux remaining in the fillet. If the lead is thin or small, and there is a sufficient amount of solder, this can be largely eliminated by extending the time above the melting point. This is because the flux effect suppresses the surface tension of the molten solder, and gas is released from inside the fillet through thermal convection, eliminating the problem. At the same time, gas is also released from the board and the surfaces of the component leads.
In the case of packaged or mounted component forms such as BGA and CSP, solder is printed underneath the component, so the generated gas tends to remain underneath the component. However, there is a gap between the component and the board the size of the ball, so as long as the fluidity of the solder is maintained, the gas will be released from within the ball to the outside.
Conversely, in leadless and power components, there are no gaps between the component and the board land, so generated gases and flux residue remain underneath the component, forming large voids.
Voids occur when gas generated during mounting cannot be discharged to the outside due to insufficient solder fluidity or short melting time.
電子部品、基板、半田ペーストが吸湿し、リフロー時に水蒸気として発生する。半田印刷時に発生した粒子間の隙間がリフロー後、ボイドとなる。プリント配線板や電子部品に凹部があり、その上に実装すると、凹部と部品間に隙間ができ、半田が流れ込むことなくボイドとなる。クラックの経路にボイドがあるとクラックの進行が加速する。ボイドの占有率と疲労寿命の関係が示されている。 Electronic components, circuit boards, and solder paste absorb moisture, which is released as water vapor during reflow. Gaps between particles that occur during solder printing become voids after reflow. If a printed wiring board or electronic component has a recess, and is mounted on it, a gap will form between the recess and the component, preventing the solder from flowing in and creating a void. If there is a void in the path of a crack, the crack will progress faster. A relationship has been shown between the void occupancy rate and fatigue life.
本発明の接合層の評価方法、接合層評価装置は、温度分布状態、温度情報△T等を取得することにより、接合層105および当該接合層105近傍の状態を定量的に評価でき有効である。
The bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention are effective in quantitatively evaluating the state of the
熱疲労試験により接合層105に劣化が発生している部分とその周囲には、温度情報△Tが大きい。温度情報△Tはヒータチップ109による過熱(加熱)状態および過熱(加熱)時間に対応して変化する。時間経過後の温度分布を測定することにより、接合層105の寿命予測ができる。
The temperature information ΔT is large in areas where deterioration has occurred in the
本発明の接合層の評価方法、接合層評価装置は用いると、クラックの発生が加熱の初期段階で確認できる。また、発明の接合層の評価方法、接合層評価装置を用いることにより、ボイドの分布状態、フラックスの分布状態、接合層105の金属あるいは組成材質、合金状態等による温度情報△T、温度分布データを取得あるいは測定することができる。
By using the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention, the occurrence of cracks can be confirmed at an early stage of heating. In addition, by using the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention, it is possible to acquire or measure temperature information ΔT and temperature distribution data based on the void distribution state, flux distribution state, metal or composition material of the
取得あるいは測定した温度情報△T、温度分布データにより、接合層105の状態を定量的に評価できる。また、接合層105の特性、寿命予測、故障率を定量的に評価、判定することができる。
The state of the
本発明の接合層の評価方法、接合層評価装置は用いると、接合層105の劣化に関して、劣化が進行しているか、進展速度を算出して、残存寿命を、非破壊で容易に把握、あるいは算出、あるいは取得することができる。
接合層(接合層)105の劣化診断を行うためには、まず、温度分布の測定データから温度差分を抽出し、また、必要に応じて時間経過の温度差分を抽出する。
By using the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention, it is possible to easily grasp, calculate, or obtain the remaining lifespan of the
In order to perform a deterioration diagnosis of the bonding layer (bonding layer) 105, first, a temperature difference is extracted from the measurement data of the temperature distribution, and if necessary, a temperature difference over time is also extracted.
その後、抽出されたデータを解析することにより、接合層105の特性評価、接合層105の劣化あるいは変化を検出することができる。また、このデータの解析により、接合層の寿命を評価あるいは予測することも可能である。
The extracted data can then be analyzed to evaluate the characteristics of the
赤外線サーモグラフィカメラの場合、温度分布の測定データを画像表示して、得られたデータ画像から時間経過の温度差分を抽出し、クラック、剥離等の発生している箇所を特定することができる。クラックの長さや大きさを計測することにより、温度分布の測定データの解析を行うことができる。また、接合層105の特性評価、接合層105の劣化あるいは変化を検出することができる。
In the case of an infrared thermography camera, the measurement data of the temperature distribution can be displayed as an image, and the temperature difference over time can be extracted from the obtained data image, making it possible to identify the locations where cracks, peeling, etc. have occurred. By measuring the length and size of the cracks, it is possible to analyze the measurement data of the temperature distribution. It is also possible to evaluate the characteristics of the
図9は、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置の動作の説明図である。制御回路804には、放射温度計、あるいは赤外線サーモグラフティカメラ108からの温度情報△Tが入力され、温度情報△Tに基づいてチラー103を制御する。あるいは、温度情報△Tを所定値にするように、チラー103を制御する。
Figure 9 is an explanatory diagram of the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention. Temperature information ΔT from a radiation thermometer or an
制御回路804は、XYZステージ110を制御し、赤外線サーモグラフティカメラ108を移動し、接合層105に所定位置に位置決めする。また、所定間隔で接合層105位置を変化させ、温度情報△Tを取得する。
The
制御回路804は、電流電源装置803aの定電流回路802a、スイッチ回路801aを制御し、温度プローブ116に定電流Iaを印加する。定電流Iaは端子電極114aと端子電極114b間に印加される。
The
制御回路804は、電流電源装置803bの定電流回路802b、スイッチ回路801bを制御し、薄膜ヒータ117に定電流Ibを印加する。定電流Iaは端子電極115aと端子電極115b間に印加される。
The
薄膜ヒータ117は、定電流Ibにより発熱し、発熱した熱は、SiC基板106を伝熱し、接合層105を加熱する。薄膜ヒータ117の発熱温度は、温度プローブ116の抵抗値を増加させる。
The
温度プローブ116の周囲に薄膜ヒータ117が形成または配置されている。薄膜ヒータ117の温度と、温度プローブ116の抵抗値は線形の関係となるように、ヒータチップ109が構成されている。
A thin-
温度プローブ116には、定電流Iaが供給されている。温度プローブ116の抵抗値が高くなると、温度プローブ116の端子電極114aと端子電極114b間の電圧も温度に比例して変化する。電圧計122aで、温度プローブ116の端子電極114aと端子電極114b間の電圧を測定することにより、薄膜ヒータ117の発熱温度(SiC基板106の温度)を取得できる。
A constant current Ia is supplied to the
本明細書では循環水パイプ102に流れる冷媒は循環水として説明するが、水に限定されるものではない。エチレングリコール、グリセリン、フロン等でもよいし、強制空冷であってもよい。
In this specification, the refrigerant flowing through the circulating
チラー103は循環水パイプ102内の液体を、たとえば、水温マイナス1℃からプラス100℃までの範囲で制御して、試験ユニットの加熱冷却プレート101に供給する。加熱冷却プレート101は十分に大きな熱容量を持っている。
The
本発明の実施形態では加熱冷却プレート101を使用したが、加熱プレートと冷却プレートを別体とし、加熱冷却プレート以外の熱源・冷熱源を用いて加熱・冷却するものであってもよい。
In the embodiment of the present invention, a heating/
電流電源装置803は、薄膜ヒータ117または温度プローブ116に供給する定電流Iaまたは定電流Ibを出力する。電流電源装置803は、制御回路804からの制御信号に同期させて、薄膜ヒータ117または温度プローブ116に電力(電流、電圧)を供給する。また、電流電源装置803は、出力する最大電圧値を設定することができる。
The current power supply device 803 outputs a constant current Ia or a constant current Ib to be supplied to the thin-
スイッチ回路801は、電流電源装置803が出力する定電流の供給をオン(供給)オフ(遮断)させる。スイッチ回路801は制御回路804からの信号に基づき、オン(定電流を出力)またはオフ(定電流を遮断)に設定または制御される。通常、スイッチ回路801は試験開始前にオンされ、接合層105の試験中はオン状態に維持される。
The
図9において、電流電源装置803a、電流電源装置803bは、各1台の電流電源装置を図示している。電流電源装置803は各1台に限定されるものではない。たとえば、2台以上の電流電源装置803a、2台以上の電流電源装置803bを保有させてもよい。電流電源装置803a、電流電源装置803bの台数が増加するほど、多種多様な電流Ia、電流Ibの波形、あるいは電圧波形を発生させることができる。
本発明の実施例において、電流電源装置803として説明するが、電流電源装置803は定電流を出力するものに限定されるものではない。
9, the current
In the embodiment of the present invention, the current power supply device 803 is described, but the current power supply device 803 is not limited to one that outputs a constant current.
たとえば、電流電源装置803に最大電圧を設定できるものを使用する。一定の条件で、設定された最大電圧において、所定の定電流を出力できるように機能させることが例示される。また、定電流を出力する場合に、出力端子電圧を所定の最大電圧を設定できるように構成することが例示される。 For example, a current power supply device 803 capable of setting a maximum voltage is used. An example is a device that functions to output a predetermined constant current at a set maximum voltage under certain conditions. Another example is a device that is configured to set the output terminal voltage to a predetermined maximum voltage when outputting a constant current.
本発明において、電流電源装置803は、定電流のみ出力する装置ではなく、電圧、電流を出力あるいは設定できる電源装置であってもよいことは言うまでもない。 In the present invention, it goes without saying that the current power supply device 803 does not have to be a device that outputs only a constant current, but may be a power supply device that can output or set a voltage and a current.
図9の実施例において、電流電源装置803で定電流を発生させるとして説明するが、定電流は、薄膜ヒータ117の抵抗の状態に応じて、印加電圧を調整することによっても実現できる。したがって、本発明において、電流を出力する電流電源装置803に限定するものではなく、電圧出力の電源装置で構成してもよいことはいうまでもない。また、電流+電圧出力の電源装置で構成してもよいことはいうまでもない。
In the embodiment of FIG. 9, a constant current is generated by the current power supply device 803, but a constant current can also be achieved by adjusting the applied voltage according to the resistance state of the
電流電源装置803bは、定電流Ibを薄膜ヒータ117に供給する。薄膜ヒータ117は印加される定電流Ibに対応して発熱する。発熱した熱は、SiC基板106を伝熱し、接合層105を加熱する。SiC基板106は熱伝導性が高い。一方、銅プレート104は加熱冷却プレート101により一定温度に保持される。
The
接合層105の上側は、SiC基板106側からの薄膜ヒータ117の熱により加熱され、接合層105の下側は、銅プレート104により、一定温度に維持される。したがって、接合層105は上側から下側に温度情報△Tが発生する。放射温度計、赤外線サーモグラフティカメラ108等は、主として接合層105上側の温度と接合層105下側の温度を測定する。当該温度差を温度情報△Tとして取得する。
The upper side of the
薄膜ヒータ117に定電流Ibが印加され、薄膜ヒータ117が発熱する。温度プローブ116には定電流Iaが印加される。定電流Iaは比較的小さい電流であり、当該定電流Iaで温度プローブ116が発熱することはほとんどないか、発生しない。薄膜ヒータ117に定電流Ibが印加され、薄膜ヒータ117が発熱する薄膜ヒータ117の発熱により温度プローブ116が加熱される。温度プローブ116は加熱される温度プローブ116の端子間電圧と温度の関係は予め取得しておく。
A constant current Ib is applied to the
温度プローブ116が加熱されると、温度プローブ116の端子間電圧(電圧計122aで測定)が変化する。制御回路804は端子間電圧を取得し、SiC基板106が所定の温度となるように、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibを調整する。定電流Ibは、0.2A以上2A以下である。定電流Ibの設定刻みは、1mA以下とすることが好ましい。
以上の実施例では、定電流Ibの調整は、温度プローブ116の端子間電圧を測定して、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibを調整するとした。
When the
In the above embodiment, the constant current Ib is adjusted by measuring the voltage between the terminals of the
定電流Ibの設定および調整は、放射温度計、赤外線サーモグラフティカメラ108等でSiC基板106の温度あるいは接合層105の温度を測定することによっても実施できる。赤外線サーモグラフティカメラ108で温度情報△Tを測定し、温度情報△Tが所定値あるいは所定の範囲内か否かで、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibを調整する。
The constant current Ib can also be set and adjusted by measuring the temperature of the
赤外線サーモグラフティカメラ108等による温度情報△Tと、温度プローブ116の端子間電圧(電圧計122aで測定)の両方を加味して、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibを調整しても良いことは言うまでもない。
スイッチ回路801bをオンオフして、薄膜ヒータ117に流す定電流Ibをオンオフし、薄膜ヒータ117の発熱を調整あるいは設定してもよい。
It goes without saying that the constant current Ib flowing through the
The heat generation of the thin-
本発明のヒータチップ109は図2の構成だけではなく、多種多様な構成が例示される。一例として、図7、図16、図17、図27、図34、図43等の構成あるいは構造が例示される。
The
ヒータチップ109の基板106は、SiCまたはAlN等で構成されている。図7の基板106の表面には薄膜ヒータ117が渦巻き状あるいは同心状に形成または配置されている。同様に温度プローブ116も渦巻き状または同心状に形成または配置されている。
The
薄膜ヒータ117を、渦巻き状あるいは同心状に構成あるいは形成することにより、SiC基板106等を均一に加熱することができる。薄膜ヒータ117には端子電極115aおよび端子電極115bに定電流Ibを印加する。
By configuring or forming the thin-
薄膜ヒータ117には端子電極115aおよび端子電極115bに定電流Ibを印加する。温度プローブ116には端子電極114aおよび端子電極114bに定電流Iaを印加する。
A constant current Ib is applied to
なお、薄膜ヒータ117は、ジグザグ状に形成する構成、四角形状に形成する構成、放射状に形成する構成も例示される。また、ヒータチップ109に複数の薄膜ヒータ117を形成または配置してもよいことは言うまでもない。以上の事項は、温度プローブ116に関しても同様である。
The thin-
図9では、1つの銅プレート104に、1つのSiC基板106と接合層105が配置された実施例のように図示している。しかし、本発明はこれに限定するものではない。
Figure 9 shows an example in which one
図10は、加熱冷却プレート101に1つの銅プレート104が配置され、1つの銅プレート104に複数の接合層105が形成された実施例である。各接合層105はそれぞれヒータチップ109に挟持されている。
Figure 10 shows an example in which one
接合層105aはヒータチップ109aと銅プレート104間に挟持されている。接合層105bはヒータチップ109bと銅プレート104間に挟持されている。接合層105cはヒータチップ109cと銅プレート104間に挟持されている。接合層105dはヒータチップ109dと銅プレート104間に挟持されている。接合層105eはヒータチップ109eと銅プレート104間に挟持されている。
The
それぞれの接合層105のA点およびB点の温度は、赤外線サーモグラフティカメラ108等で測定される。XYZステージ110に赤外線サーモグラフティカメラ108が配置され、XYZステージ110上を赤外線サーモグラフティカメラ108が移動し、各接合層105のA点、B点位置の温度情報△Tを取得する。
The temperatures of points A and B of each
各接合層105(接合層105a~接合層105e)は、接合層105を構成する材料あるいは組成を異ならせることにより、多様な接合層105の情報(特性、寿命等)を同時に得ることができる。
By varying the material or composition of each bonding layer 105 (
各接合層105(接合層105a~接合層105e)のヒータチップ109の温度を異ならせることにより、接合層105を加温する温度に対して、多様な接合層105の情報(特性、寿命等)を同時に得ることができる。
By varying the temperature of the
赤外線サーモグラフティカメラ108で接合層105の温度を測定するとしたが、温度に限定するものではない。温度に相関あるいは比例する値もしくは情報であればいずれの測定装置データであっても良いことは言うまでもない。
Although the temperature of the
図11は、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置の説明図である。Ni-P膜111dと接合層105間には金めっき膜112cが形成され、Ni-P膜111aと接合層105間には金めっき膜112aが形成される。接合層105の形成により、金が接合層105に拡散するため、金の層は消滅するため、図示していない。
Figure 11 is an explanatory diagram of the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention. A
図11に図示するように、薄膜ヒータ117に定電流Ibが印加されることにより、薄膜ヒータ117が発熱し、発生した熱はSiC基板106に伝熱される。発熱した熱により接合層105に拡散部901が発生する。拡散部901では、熱により接合層105を構成する材料、組成が移動、あるいは特性が変化する。また、クラック発生、ボイドの拡大、フラックス等の流出等が発生する。これらの変化あるいは発生により、接合層105の温度状態、温度情報△Tが変化する。
As shown in FIG. 11, when a constant current Ib is applied to the thin-
接合層105の構造あるいは材料により、初期状態(薄膜ヒータ117で加熱し、接合層105が所定の温度になった状態)として特有の温度情報△T、あるいは温度情報△Tの差異が発生する。当該初期状態の温度情報△Tで接合層105を定量的に評価あるいは接合層105の特性を把握することができる。
Depending on the structure or material of the
以上のように、本発明は、初期状態の温度情報△Tで接合層105を定量的に評価あるいは接合層105の特性を把握することができる。また、接合層105を加熱、あるいは加温することにより接合層105が変化する。温度情報△Tの取得により、変化状態を定量的に測定でき、寿命あるいは特性劣化状態あるいは経時変化を定量的に把握することができる。
As described above, the present invention can quantitatively evaluate the
接合層105は上側が薄膜ヒータ117により加熱される。銅プレート104は加熱冷却プレート101により所定温度に維持されている。したがって、接合層105は上側から下側に温度分布が発生する、また、接合層105は上側から下側に温度情報△Tが変化する。
The upper side of the
接合層105が均一に形成されていると熱移動は容易になり、また、熱分布は均一となり、温度情報△Tも均一となる。接合層105にクラックあるいはボイドが発生していると、クラックあるいはボイド部分で熱移動が小さくなる。したがって、熱分布は不均一となり、温度情報△Tも接合層105の各部分で異なる。
If the
図12に図示するように、薄膜ヒータ117が発熱することにより、接合層105に点線で示すような温度分布が発生する。温度分布は接合層105の組成、構造、材料を示す。
As shown in FIG. 12, the heat generated by the
図12に図示するように、接合層105のA点、B点での温度を赤外線サーモグラフティカメラ108で測定をする。A点、B点の温度(温度情報△T)から温度情報△Tを求める。温度情報△Tで接合層105の状態を定量的に把握することができる。
As shown in FIG. 12, the temperatures at points A and B of the
接合層105において、赤外線サーモグラフティカメラ108で複数個所の温度情報△Tを取得し、接合層105の複数点間で温度情報△Tを求めることにより、接合層105を定量的に評価することができる。また、接合層105を加熱または過熱し、所定の時間の経過後と初期状態での温度情報△Tを比較することにより、接合層105の寿命あるいは劣化を定量的に測定することができる。
The
図12では、放射温度計、赤外線サーモグラフティカメラ108等で、A点およびB点の温度情報△Tを測定するとした。詳細に接合層105の特性、構造、寿命等を測定あるいは把握するには、図13に図示するように、3点以上の箇所で温度情報△Tを取得する。
In FIG. 12, temperature information ΔT at points A and B is measured using a radiation thermometer,
図13では、9点の測定点を等間隔(d/2)で測定している。dは略接合層105の膜厚とする。図13に図示するように、接合層105をマトリックス状に温度情報△Tを取得する。取得した各点の温度情報△Tから各点間の温度情報△Tを求める。
温度情報△Tは、故障率と相関がある。図14は温度情報△Tと故障率との関係を模式的に図示した説明図である。
In Fig. 13, nine measurement points are measured at equal intervals (d/2), where d is approximately the thickness of the
The temperature information ΔT is correlated with the failure rate. Fig. 14 is an explanatory diagram that shows a schematic diagram of the relationship between the temperature information ΔT and the failure rate.
温度情報△Tが小さい場合、接合層105が均一、ボイドあるいはクラック等が発生してないか、または少ない。温度情報△Tが大きい場合、温度情報△Tが不均一な場合等は、接合層105に不均一材料混合、ボイド、クラック等が発生している場合が多い。
When the temperature information ΔT is small, the
図14に図示するように、温度情報△Tが△T1以下の場合は、故障率がF1までと一定以下である。しかし、温度情報△Tが△T1以上の場合、△T1を超えると急激に故障率が大きくなる。
接合層105は、所定の故障率F2以下に収める必要があるとすると、温度情報△Tは△T2以下となるようにする必要がある。
14, when the temperature information ΔT is ΔT1 or less, the failure rate is below a certain level up to F1. However, when the temperature information ΔT is ΔT1 or more, the failure rate increases suddenly when ΔT1 is exceeded.
If it is necessary to keep the failure rate of the
各接合層105を作製し、赤外線サーモグラフティカメラ108で温度情報△Tを取得することにより、接合層105を定量的に評価でき、故障率を把握できる。また、薄膜ヒータ117で接合層105を過熱することにより、接合層105の寿命、劣化を定量的に測定あるいは把握することができ、故障率を予測することができる。
By producing each
図14のグラフを、作製した接合層105の試料の温度情報△Tと当該故障率を測定、あるいは取得して作成する。グラフを作成することにより、新たに作製した接合層105を赤外線サーモグラフティカメラ108等で温度情報△Tを取得することにより、故障率が定量的に予測することができる。
The graph in Figure 14 is created by measuring or acquiring the temperature information ΔT and the failure rate of the sample of the produced
図15は、薄膜ヒータ117で接合層105を加熱した状態を熱シミュレーションした状態を図示したものである。薄膜ヒータ117により、接合層105には、温度分布が発生する。
Figure 15 shows a thermal simulation of the state in which the
熱シミュレーションは、Ni-P膜111の膜厚・配置位置、薄膜ヒータ117の膜厚・配置位置、ヒータチップ109の形状・配置位置、ヒータチップ109に印加電流、温度プローブ116の形状・配置位置、接合層105の材料あるいは組成と膜厚等の情報のうち、少なくとも1つ以上の情報を設定することにより、実現することができる。
Thermal simulation can be realized by setting at least one of the following pieces of information: the thickness and position of the Ni-
赤外線サーモグラフティカメラ108で取得するA点、C点、B点の温度情報△Tも熱シミュレーションで求めることができる。熱シミュレーションした値と赤外線サーモグラフティカメラ108で測定した値との相関をとることができる。
The temperature information ΔT at points A, C, and B obtained by the
図9に図示するように、赤外線サーモグラフティカメラ108は接合層105の端面の温度情報△Tを取得する。取得した温度情報△Tを用いて、薄膜ヒータ117に印加する定電流Ibを可変あるいは設定する。
As shown in FIG. 9, the
赤外線サーモグラフティカメラ108の測定と、変化させる定電流Ibとは同期を取ることが好ましい。定電流Ibを変化させたタイミングに同期して、赤外線サーモグラフティカメラ108の測定を実施する。また、変化させる定電流Ibと温度プローブ116の端子電圧の測定も同期させることが好ましい。
It is preferable to synchronize the measurement of the
薄膜ヒータ117に印加する定電流Ibの設定は、図9、図8に図示するように、端面からt距離離れた位置(深さ方向)である接合層105の中央部D点での温度情報△Tを取得し、中央部D点の温度情報△Tを用いて定電流Ibを設定できることが好ましい。
As shown in Figures 9 and 8, the constant current Ib to be applied to the thin-
中央部D点での温度情報△Tは直接測定することはできない。本発明は図15に図示するように、熱シミュレーションを実施し、図8に図示するように端面b1からt距離離れたD点の下層での熱シミュレーションによるA点、B点、C点の温度情報△Tを求める。 The temperature information ΔT at the central point D cannot be measured directly. In the present invention, a thermal simulation is performed as shown in FIG. 15, and temperature information ΔT at points A, B, and C is obtained by thermal simulation in the layer below point D, which is a distance t away from the end face b1 as shown in FIG. 8.
熱シミュレーションを実施することにより、たとえば、図8(b1)がb1線での熱シミュレーションによる温度分布状態、図8(b2)がb2線での熱シミュレーションによる温度分布状態、図8(b3)がb3線での熱シミュレーションによる温度分布状態として求まる。 By carrying out a thermal simulation, for example, Figure 8 (b1) shows the temperature distribution state obtained by thermal simulation on line b1, Figure 8 (b2) shows the temperature distribution state obtained by thermal simulation on line b2, and Figure 8 (b3) shows the temperature distribution state obtained by thermal simulation on line b3.
また、b1線での温度分布情報に赤外線サーモグラフィカメラによる温度情報△Tを使用して、熱シミュレーションによりb2線およびb3線の温度分布状態を求めてもよい。この場合、実測値に基づいた熱シミュレーションになるため、より正確にb1線およびb3線の温度分布状態を求めることができる。 In addition, the temperature distribution state of lines b2 and b3 can be obtained by thermal simulation using temperature information ΔT obtained by an infrared thermography camera as the temperature distribution information on line b1. In this case, since the thermal simulation is based on actual measured values, the temperature distribution state of lines b1 and b3 can be obtained more accurately.
本発明は、熱シミュレーションにより接合層105の中央部または任意の箇所の温度情報△Tを求め、求めた温度情報△Tに基づき薄膜ヒータ117の定電流Ibを制御する。したがって、温度制御を精度よく実施することができる。
The present invention obtains temperature information ΔT at the center or any other location of the
薄膜ヒータ117、温度プローブ116はベース基板106の上面に形成するとしたが、これに限定するものではない。たとえば、ベース基板106が接合層105に接する面に形成してもよい。たとえば、Ni-P膜111dとベース基板106間に、薄膜ヒータ117と温度プローブ116のうち少なくとも一方を形成してもよい。この構成の場合は、ベース基板106の下面に、薄膜ヒータ117等を形成し、薄膜ヒータ117等上にSiO2等の絶縁膜を形成し、その上に、Ni-P膜111dを形成する。
Although the thin-
銅プレート104にはNi-P膜111a、ベース基板106にはNi-P膜111dを形成するとした。Ni-P膜111は接合層105の電極または金属層(金属膜)として想定される。Ni-P膜111は接合層105と密着性を良好なものとするために形成する。
A Ni-
接合層105に種類に応じて、適時、適切な材料を選定すればよいことは言うまでもない。たとえば、接合層105が半田の場合は、ニッケル(Ni)、錫、鉛などが例示される。接合層105がエポキシ樹脂などの有機物の場合は、エポキシ樹脂用プライマーが例示される。この場合は、エポキシ樹脂用プライマー111は電極ではなく、接触層(接触層)として機能する。
It goes without saying that an appropriate material can be selected at the appropriate time depending on the type of
本明細書および図面等において、ベース基板106は基板として説明するがこれに限定するものではない。ベース基板106は、フィルムとしてベースフィルム106であってもよい。少なくとも、部材に薄膜ヒータ117等の発熱材と、接合のための仲介層111dを有するものであればいずれの構成であってもよい。
In this specification and the drawings, the
本明細書および図面等において、銅プレート104として説明するが、銅プレート104はプレートに限定されるものではない。プレートはフィルムあるいはシートであってもよい。また、厚みのある個体部材であってもよいことは言うまでもない。銅プレート104は、一方の面に接合のための仲介層111aを有するものであればいずれの構成であってもよい。
Although the present specification and drawings refer to the
薄膜ヒータ117および温度プローブ116は薄膜に限定されるものではない。線材などで構成され、一定の厚みを有する構成物であってもよいことは言うまでもない。薄膜ヒータ117は面状発熱体ヒータ、セラミックヒータ、フィルムヒータ、面状発光体カーボン、ペルチェ素子からなるヒータ等が例示される。
なお、ヒータとは加熱手段であればいずれのものであってもよい。温度プローブ116は、熱電対、放射温度計等であっても良いことは言うまでもない。
The
The heater may be any type of heating means. It goes without saying that the
本明細書等において、銅プレート104の裏面に加熱冷却プレート101を配置し、銅プレート104を所定温度に維持するとしたが、これに限定するものではない。たとえば、加熱冷却プレート101の表面にNi-P膜111aを直接形成し、当該Ni-P膜111aとSiC基板106のNi-P膜111d間に接合層105を配置してもよい。
In this specification, the heating/
銅プレート104の機能として、1つは接合層105の片面を、均一な所定温度にするために採用する。したがって、銅プレート104は金属に限定されるものではない。たとえば、AlN、SiC、セラミックなど伝熱性が高いプレート、あるいはシートを採用することができる。プレート104は、少なくとも接合層105との接触面積以上の面積があり、当該面積部において均質な熱伝導率を有する部材である。
One of the functions of the
ポリイミドシート107はシートに限定されるものではない。板状の樹脂部材を粘着材等で接合層105に貼り付けても良い。また、アクリル系、エポキシ系等の樹脂を塗布してもよい。また、ポリイミドに限定されるものでななく、前駆体のポリアミドなどを採用してもよい。
The
温度を測定あるいは取得する手段として、赤外線サーモグラフティカメラ108を例示した。しかし、接合層105および当該近傍の温度を、非接触で測定できるものであればいずれのものでも採用できる。たとえば、放射温度計が例示される。
As an example of a means for measuring or acquiring temperature, an
図16は、本発明の他の実施例におけるヒータチップ109の平面図(図16(a)、図16(b))、および断面図(図16(c))である。なお、図16(c)は図16(a)または図16(b)のAA’線での断面図である。
Figure 16 shows a plan view (Figure 16(a) and Figure 16(b)) and a cross-sectional view (Figure 16(c)) of a
図2等との差異は、主として薄膜ヒータ117部の厚みを端子電極115部よりも薄くし、薄膜ヒータ117の抵抗値を高くした点である。薄膜ヒータ117は、無電解Ni-Pで形成されている。薄膜ヒータ117のa部(端子電極115下)の無電解Ni-Pは厚く、薄膜ヒータ117のb部(主として発熱に寄与する部分)の無電解Ni-Pは薄く形成されている。少なくともa部よりb部の無電解Ni-P膜は薄くなるように形成されている。b部の膜厚を薄く形成することにより抵抗値が高くなる。したがって、薄膜ヒータ117に定電流を印加した際に、b部の抵抗値が高いことからb部の発熱を大きくすることができる。
図16(b)において、幅L1部と幅L2部の膜厚を異ならしてもよい。幅L2部よりも幅L2部の膜厚を薄くすることにより、幅L2の発熱が大きくなる。
The difference from FIG. 2 etc. is that the thickness of the
16B, the thickness of the width L1 portion may be different from that of the width L2 portion. By making the thickness of the width L2 portion thinner than that of the width L1 portion, the heat generation in the width L2 portion becomes larger.
以下、図16、図17の説明として記載する事項は、他の図面、明細書との差異を中心に説明する。したがって、図16、図17等で説明あるいは記載する事項は、本明細書、図面の記載あるいは内容が流用あるいは組み合わせることができることは言うまでもない。 The following explanations of Figs. 16 and 17 will focus on the differences with other drawings and specifications. Therefore, it goes without saying that the descriptions or contents of this specification and drawings can be reused or combined with the descriptions or contents of Figs. 16, 17, etc.
以上の事項は本発明の明細書、図面に関して同様である。本発明の明細書および図面に記載した事項は、相互に流用、組み合わせ、入れ替えをすることができる。 The above points also apply to the specification and drawings of the present invention. The points described in the specification and drawings of the present invention may be mutually reused, combined, or substituted.
図16(a)に図示するヒータチップ109は、薄膜ヒータ117が幅L1で形成されるとともに、厚みbで形成されている。また、厚みaに対応する無電解Ni-Pは端子部であり、表面に端子電極(金めっき膜)115が形成されている。
The
図16(b)に図示するヒータチップ109は、薄膜ヒータ117が幅L1の部分と幅L2の部分で形成されている。薄膜ヒータ117の幅L2は、幅L1よりも狭く形成されている。幅L2部を幅L1部よりも幅を狭くしていることより、幅L2部の抵抗値が高くなり、幅L2部に集中して発熱させることができる。
The
薄膜ヒータ117は、厚みbで形成されている。また、厚みaに対応する無電解Ni-Pは端子部であり、表面に端子電極(金めっき膜)115が形成されている。
The
図16(b)の構成では、端子電極115aと端子電極115b間に定電流を印加した場合、幅L2部分で抵抗値が高いため、幅L2部分での発熱が大きくなる。したがって、ヒータチップ109の薄膜ヒータ117の幅L2部での発熱が大きく、幅L2部の下のサンプルの接合層105への加温あるいは加熱もしくは過熱状態が良好となる。
図16の実施例では、端子電極115a、端子電極115b間の薄膜ヒータ117は1本であった。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
図17(a)、図17(b)に図示するように、端子電極115a、端子電極115b間に形成または配置する薄膜ヒータ117は複数本にしてもよい。
16B, when a constant current is applied between the
16, there is one
As shown in FIGS. 17A and 17B, a plurality of
また、図17(b)では、薄膜ヒータ117の幅は2段階(幅L1、幅L2)であったが、図17(b)に図示するように、3段階(幅L1、幅L2、幅L3)以上としてもよい。定電流駆動の場合、薄膜ヒータ117の幅が狭い部分は、単位配線幅あたりに流れる電流の大きさが大きくなる。したがって、幅が狭い箇所での発熱量が大きくなる。図17(b)では、幅L3部の下のサンプルの接合層105への加温が良好となる。
In addition, in FIG. 17(b), the width of the thin-
図17(a)において、端子電極115a、端子電極115b間に薄膜ヒータ117a、薄膜ヒータ117bの2本が、形成または配置されている。薄膜ヒータ117は、幅L1の部分と幅L2の部分を有する。幅L1の部分は、長さが短い。また、端子電極115の近傍に配置されている。幅L1の部分は、端子電極115から薄膜ヒータ117の幅L2部分に流入する電流が集中することを回避するために形成されている。
In FIG. 17(a), two thin film heaters, 117a and 117b, are formed or placed between
図17では、端子電極115a、端子電極115b間に薄膜ヒータ117a、薄膜ヒータ117bの2本が形成または配置されているとしているが、これに限定するものではない。3本以上であっても良いことは言うまでもない。
In FIG. 17, two
図17(b)において、端子電極115a、端子電極115b間に薄膜ヒータ117a、薄膜ヒータ117bの2本が、形成または配置されている。薄膜ヒータ117は、幅L1の部分と幅L2と幅L3の部分を有する。幅L1の部分は、長さが短い。また、端子電極115の近傍に配置されている。幅L1の部分は、端子電極115から薄膜ヒータ117の幅L2部分に流入する電流の集中を回避するために形成されている。
In FIG. 17(b), two thin film heaters, 117a and 117b, are formed or placed between
幅L1の部分と幅L2と幅L3の部分の3段階に限定されるものではなく、4段階以上であってもよい。また、滑らかに幅が変化させたものであっても良いことは言うまでもない。たとえば、曲線状に幅が変化するように形成することが例示される。 The width is not limited to three stages, namely, the portion of width L1, the portion of width L2, and the portion of width L3, but may be four stages or more. It goes without saying that the width may also be changed smoothly. For example, it may be formed so that the width changes in a curved line.
幅L3の部分は、幅L2の部分より細く形成されている。したがって、定電流駆動の場合、薄膜ヒータ117の幅が狭い部分は、単位配線幅あたりに流れる電流の大きさが大きくなる。したがって、幅L3部の発熱が最も大きくなり、幅L3部の下のサンプルの接合層105への加温が良好となる。
以上の薄膜ヒータ117の形状等に関する事項は、温度プローブ116に対しても適用できることは言うまでもない。
以下、図面を参照しながら、図16、図17等に図示する本発明のヒータチップ109の作製方法について説明する。
The portion of width L3 is formed narrower than the portion of width L2. Therefore, in the case of constant current driving, the amount of current flowing per unit wiring width is large in the narrow portion of the
Needless to say, the above matters regarding the shape etc. of the
Hereinafter, a method for producing the
図18、図19、図20、図21において、各図の左側の図面は、ヒータチップの側面図を示しており、各図の左側の図面は、ヒータチップ109の平面図を示している。
In Figures 18, 19, 20, and 21, the left side of each figure shows a side view of the heater chip, and the left side of each figure shows a plan view of the
図18(a1)、図18(a2)は、SiC基板106である。なお、図2、図5、図6等で説明したように、SiC基板に限定されるものではない。GaNで形成された基板106であってもよい。また、図18等での説明あるいは記述は薄膜ヒータ117を中心に説明するが、図2等と同様に温度プローブ116にも適用できることは言うまでもない。
Figures 18(a1) and 18(a2) show a
図18、図19、図20、図21、図22の説明として記載する事項は、他の図面、明細書との差異を中心に説明する。したがって、以下に説明あるいは記載する事項は、流用あるいは適時、組み合わせることができることは言うまでもない。また、類似の構成あるいは変化させて組み合わせることができる。また、図18、図19、図20、図21、図22の記載事項を本明細書、図面の他の実施例に適用できることは言うまでもない。 The matters described in the explanations of Figures 18, 19, 20, 21, and 22 will be explained with a focus on the differences with other drawings and specifications. Therefore, it goes without saying that the matters explained or described below can be reused or combined as appropriate. They can also be combined with similar configurations or modifications. It goes without saying that the matters described in Figures 18, 19, 20, 21, and 22 can also be applied to other embodiments of this specification and drawings.
図18(b1)、図18(b2)に図示するように、SiC基板106の表面にマスク501aを塗布する。同様に、SiC基板106の裏面にマスク501bを塗布する。マスク501としては、アルカリ可溶タイプのアクリルポリマーを含むものが好ましい。
As shown in Fig. 18(b1) and Fig. 18(b2), a
次に、フェムト秒レーザ装置(図示せず)を用いて、SiC基板106の表面を粗化する(図18(c1)、図18(c2))。フェムト秒レーザ光502またはピコ秒レーザ光502を照射し、SiC基板106の表面の、薄膜ヒータ117、端子電極115に対応する部分を粗面化する。なお、図18(c1)は、図18(c2)のAA’線での断面図である。
Next, the surface of the
フェムト秒レーザ光502等の照射により、SiC基板106の端子電極115、薄膜ヒータ117の形成位置が、粗化(粗面化)され、粗化面119aが形成される。
By irradiating the
フェムト秒グリーンレーザは、第二高調波であるため、比較的高出力を取り出すことができ、SiC基板106に対しても、照射したレーザ光の吸収が良好である。
Since femtosecond green lasers are second harmonic waves, they can produce relatively high output, and the irradiated laser light is well absorbed by the
フェムト秒グリーンレーザが出射する光の波長は500nm~530nmであるのが好ましい。パルス幅は、1フェムト秒~1000フェムト秒であるのが好ましい。 The wavelength of the light emitted by the femtosecond green laser is preferably 500 nm to 530 nm. The pulse width is preferably 1 femtosecond to 1000 femtoseconds.
ピコ秒レーザを用いる場合、ピコ秒レーザが出射する光の波長は500nm~530nmであるのが好ましい。パルス幅は、1ピコ秒~10ピコ秒であるのが好ましい。 When using a picosecond laser, the wavelength of the light emitted by the picosecond laser is preferably 500 nm to 530 nm. The pulse width is preferably 1 picosecond to 10 picoseconds.
SiC基板106の表面は、パルス幅の単位がピコ秒であるピコ秒レーザ光、またはパルス幅の単位がフェムト秒であるフェムト秒レーザ光により粗化される。粗化された算術平均粗さRaは0.2μm以上である。算術平均粗さRaは、0.3μm以上、0.4μm以上、0.5μm以上の順により好ましい。
The surface of the
フェムト秒レーザ装置は、一般にパルス幅が、サブピコ秒から数十フェムト秒のフェムト秒レーザ光502を発生する。サブピコ秒から数十フェムト秒の超短パルスのレーザ光502を材料に照射した場合、材料の熱拡散特性時間に比べてパルス幅が十分に短いため、光エネルギーを有効に照射部に投入できる。
A femtosecond laser device generally generates
図17(b)の幅L3のような、幅が細い箇所も良好に粗面化できる。また、幅L1、幅L2、幅L3のように、幅を容易に、かつ粗面化を安定して形成できる。 Even narrow areas, such as width L3 in Figure 17(b), can be roughened well. In addition, widths such as widths L1, L2, and L3 can be easily and stably roughened.
フェムト秒レーザ光502は、照射周辺部への熱影響が局限することが可能で、高精度な微細加工が実現できる。また、レーザ光の電場強度が非常に高いので、ビームが集光されたところにのみ、空間選択的に多光子吸収、多光子イオン化等の非線形作用を誘起することができる。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスク501の部分が除去され、凹部が形成される。
The
By irradiating a pulse of
配線のパターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)は、マスク501の表面に形成されたマークに基づいて行ってもよい。SiC基板106上に形成された十字マーク130(図示せず)等に基づいて位置決めを行う。十字マーク130等は少なくとも、対角線状に2箇所を設ける。
Patterning of wiring (
SiC基板106上に形成された十字マーク130をカメラで取り込み、十字マーク130を画像認識して十字マーク130位置と設計座標を比較し、パターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)位置(レーザ光を照射する箇所)に位置決めしてレーザ光502を照射する。
The
同様に、図18(d1)、図18(d2)に図示するように、SiC基板106に裏面にも、フェムト秒レーザ光502が照射され、粗化(粗面化)される。SiC基板106の裏面も粗化面119が形成される。
Similarly, as shown in Fig. 18(d1) and Fig. 18(d2), the rear surface of the
SiC基板106に裏面にも、ニッケル-リン(Ni-P)膜111が形成される。したがって、SiC基板106のNi-P膜111が形成される箇所にも、フェムト秒レーザ光502による粗面化が実施される。
図18(d1)は、図18(d2)のAA’線での断面図である。なお、断面図の断面位置に関しては、他の図面においても同様である。
A nickel-phosphorus (Ni-P)
Fig. 18(d1) is a cross-sectional view taken along line AA' in Fig. 18(d2). Note that the cross-sectional positions of the cross-sectional views are the same in the other drawings.
次に、図19(e1)、図19(e2)に図示するように、SiC基板106の裏面にマスキングテープ120bを貼り付ける。マスキングテープ120として、たとえば、日東電工N-300が例示される。
Next, as shown in Fig. 19(e1) and Fig. 19(e2), a
マスキングテープ120は、めっき液の浸入を防ぐために使用する。したがって、めっき液の浸入を防止し、防止後、剥離できるものであればいずれのものであってもよい。たとえば、マスキングテープ120の代替えとして重合前のポリイミドからなる液を塗布し、ポリイミドからなる液を硬化させたものを使用してもよい。
Masking
図18(e2)に図示するように、SiC基板106の表面において、端子電極115、薄膜ヒータ117が形成される部分が、レーザ光の照射により粗化面119aとなっている。他の部分は、マスク501aが残存している。
As shown in FIG. 18(e2), the surface of the
以上のように、フェムト秒レーザ光502による粗面化は、端子電極114、端子電極115に対応する箇所にも実施される。粗面化される箇所に、Ni-P膜111が形成される。
As described above, the roughening using the
端子電極115部は粗化される面積が大きい。薄膜ヒータ117部は粗化される線幅が細い。薄膜ヒータ117部は粗化を大きくする(粗化により発生する凹凸を深くする)ように、粗化される面積に依存して粗化状態を変化させることが好ましい。粗化される面積に基づいて算術平均粗さRaを異ならせる。
たとえば、図16(b)、図17(b)において、幅L1、幅L2、幅L3において、粗化状態あるいは算術平均粗さRaを異ならせてもよい。
The
For example, in FIG. 16B and FIG. 17B, the roughened state or the arithmetic mean roughness Ra may be made different between widths L1, L2, and L3.
たとえば、図16(b)のように、線幅L1の箇所と、線幅L2の箇所では算術平均粗さRaを異ならせる。図17のように、線幅L1の箇所と、線幅L2の箇所あるいは線幅L3の箇所では算術平均粗さRaを異ならせる。
粗化状態の可変は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
For example, as shown in Fig. 16B, the arithmetic mean roughness Ra is made different between the portion of line width L1 and the portion of line width L2. As shown in Fig. 17, the arithmetic mean roughness Ra is made different between the portion of line width L1 and the portion of line width L2 or the portion of line width L3.
The roughening state can be easily varied by changing or setting the laser intensity of the
SiC基板106に対し酸性脱脂剤を用い、たとえば45℃、5分の条件で脱脂を行う。塩酸系水溶液を用いてプリディップ処理を行う。保持時間は、一例として2分である。
The
次に、図19(f1)、図19(f2)に図示するように、錫-鉛(Sn-Pd)触媒504を粗面化された粗化面119、およびマスク501aの残存している部分の表面に付与、塗布あるいは形成する。
Sn-Pd触媒504はコロイド状の粒子であり、Sn-Pdの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
Next, as shown in FIG. 19(f1) and FIG. 19(f2), a tin-lead (Sn--Pd)
The Sn--
Sn-Pd触媒504を付与したSiC基板106を塩酸系の溶液に浸漬することでSnの層が除去され、内部のPd触媒が露出する。Pd触媒が露出するので、Sn-Pd触媒504が存在する部分において、後述する無電解Ni-Pめっき液による反応が生じる。
By immersing the
次に、図19(g1)、図19(g2)に図示するように、アルカリ溶液を用いて、マスク501aを剥離する。図19(g1)に図示するように、SiC基板106のマスク501が剥離された部分にはSn-Pd触媒504aが存在しない。
次に、図19(h1)、図19(h2)に図示するように、SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、薄膜ヒータ117が形成される。
無電解Ni-Pめっき液としては、酸性領域から中性領域で次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする還元析出型の無電解Ni-Pめっき液を用いることができる。
Next, as shown in Fig. 19(g1) and Fig. 19(g2), the
Next, as shown in FIG. 19(h1) and FIG. 19(h2), electroless Ni--P plating is performed on the surface of the
As the electroless Ni-P plating solution, a reduction precipitation type electroless Ni-P plating solution that operates in an acidic to neutral range and uses sodium hypophosphite as a reducing agent can be used.
キレート剤としては、リンゴ酸、またはクエン酸、またはマロン酸、酒石酸等のオキシカルボン酸、または酢酸やコハク酸等のモノカルボン酸、アンモニアやグリシン等のアミン類を単独もしくは複数併用して用いることができる。 As the chelating agent, malic acid, citric acid, malonic acid, tartaric acid, and other oxycarboxylic acids, acetic acid, succinic acid, and other monocarboxylic acids, and ammonia, glycine, and other amines can be used alone or in combination.
無電解Ni-Pめっき液中の還元剤がSiC基板106上で電子を放出するように触媒として機能するPdが付与されている。無電解Niめっき液中のNiイオンが、還元剤の酸化反応で放出される電子によって還元され、SiC基板106の表面に析出し、薄膜ヒータ117、端子電極が形成される。
Pd is added to act as a catalyst so that the reducing agent in the electroless Ni-P plating solution releases electrons on the
図16、図17では、温度プローブ116を図示していないが、図16、図17の本発明のヒータチップ109は、温度プローブ116を備えてもよいことは言うまでもない。また、以上の図16、図17で記載した事項は、薄膜ヒータ117だけでなく、温度プローブ116にも適用できることは言うまでもない。以上の事項は、以下の記載、図面においても同様である。
Although the
本実施形態によれば、ピコ秒レーザ光502、あるいはフェムト秒レーザ光502により、粗化面119を形成する。粗化面119の形成により難めっき材料からなるSiC基板106に対して、特殊な薬液またはフォトリソグラフィの技術を用いることなく、容易に、密着性が良好なNi-Pめっきを行うことができる。
According to this embodiment, the roughened surface 119 is formed by the
本実施の形態においては、マスク501aを使用して、薄膜ヒータ117、端子電極部に対応するSiC基板106の粗化面119に、Sn-Pd触媒504aを残存させる。Sn-Pd触媒504aにめっき膜を形成する。したがって、薄膜ヒータ117のパターニングの精度が良好であり、表面研磨が不要である。
In this embodiment, a
本実施の形態においては、配線パターンに対応する部分以外の部分がマスク501aにより保護された状態で、めっきパターンが形成される。したがって、粗化部分のみに無電解Ni-Pめっきを行うので、所望の厚みの薄膜ヒータ117等を形成することができる。
In this embodiment, the plating pattern is formed while the areas other than those corresponding to the wiring pattern are protected by the
次に、図20(i1)、図20(i2)に図示するように、薄膜ヒータ117を形成する箇所を中心として、マスキングテープ120aを形成または配置する。端子電極115を形成する部分にはマスキングテープ120aは形成または配置されない。
Next, as shown in FIG. 20(i1) and FIG. 20(i2),
図20(j1)、図20(j2)に図示するように、図19(h1)、図19(h2)と同様に、SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、端子電極115部に無電解Ni-Pめっき膜が形成される。
As shown in Figures 20(j1) and 20(j2), similar to Figures 19(h1) and 19(h2), electroless Ni-P plating is performed on the surface of the
無電解Ni-Pめっき液としては、図19(h1)、図19(h2)の無電解Ni-Pめっき液を用いる。また、キレート剤等もついても同様であるので、説明を省略する。 The electroless Ni-P plating solution used is the electroless Ni-P plating solution shown in Fig. 19 (h1) and Fig. 19 (h2). The same applies to the chelating agent, etc., so the explanation is omitted.
図20(j1)に図示するように、薄膜ヒータ117部は無電解Ni-Pめっき膜111aが形成される。端子電極115部は、無電解Ni-Pめっき膜111aと無電解Ni-Pめっき膜111bとが積層されて形成される。
As shown in FIG. 20(j1), the
したがって、端子電極115部は、薄膜ヒータ117部よりも抵抗値が低くなる。端子電極115部は、抵抗値が小さいため、所定の定電流を印加しても発熱が発生しない。薄膜ヒータ117部は、抵抗値が高いため、所定の定電流の印加により、良好に発熱する。
Therefore, the
図20(k1)、図20(k2)に図示するように、端子電極部に置換Au膜(端子電極115)が形成される。端子電極に対応する箇所のNi-P膜111aの表面には金めっき膜115が形成される。
As shown in Figures 20(k1) and 20(k2), a substituted Au film (terminal electrode 115) is formed on the terminal electrode portion. A
図20(l1)、図20(l2)に図示するように、マスキングテープ120aを剥離させる。マスキングテープ120aの剥離により、薄膜ヒータとしてのNi-Pめっき膜111aが露出する。
As shown in Figures 20(l1) and 20(l2), the
以上の工程により、端子電極115および薄膜ヒータ117がSiC基板106上に形成される。次に、SiC基板106の裏面にNi-P膜111cを形成する工程を実施する。
Through the above steps, the
図21(m1)、図21(m2)に図示するように、端子電極115および薄膜ヒータ117としてのNi-Pめっき膜111a上に、マスキングテープ120cを配置または形成する。また、コーティング剤を塗布する。
As shown in Figures 21(m1) and 21(m2), a
図21(n1)、図21(n2)に図示するように、Sn-Pd触媒504bを粗面化された粗化面119bの表面に付与、塗布あるいは形成する。Sn-Pd触媒504bはコロイド状の粒子であり、Pd-Snの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
As shown in Figures 21(n1) and 21(n2), the Sn-
Sn-Pd触媒504bを付与したSiC基板106を塩酸系の溶液に浸漬することでSnの層が除去され、内部の鉛(Pd)触媒が露出する。Pd触媒が露出するので、Sn-Pd触媒504bが存在する部分において、無電解Cuめっき液による反応が生じる。
By immersing the
図21(o1)、図21(o2)に図示するように、SiC基板106の裏面に無電解Ni-Pめっき膜111cが形成される。また、無電解Ni-Pめっき膜111c上に金めっき膜112が形成される。
次に、図21(p1)、図21(p2)に図示するように、マスキングテープ120cを剥離させて、ヒータチップ109が完成する。
21(o1) and 21(o2), an electroless Ni-
Next, as shown in FIG. 21(p1) and FIG. 21(p2), the
図22は、本発明の他の実施例における接合層評価装置の構成についての説明図である。図22(c1)、図22(c2)はヒータチップ109を図示している。ヒータチップ109の裏面には、Ni-Pめっき膜111c、Ni-Pめっき膜111cの表面に金めっき膜112が形成されているが、図が煩雑になるため省略している。
Figure 22 is an explanatory diagram of the configuration of a bonding layer evaluation device in another embodiment of the present invention. Figures 22(c1) and 22(c2) show a
図22(c2)に図示するように、端子電極115には、リード線121を電気的に接続するための半田123が形成され、または配置される。なお、半田123に限定されるものではなく、導電性があり、リード線121と端子電極115とが電気的接続が取れるものであればいずれの構成、材料等であってもよい。たとえば、ボンディングワイヤで接続する構成が例示され、異方向性樹脂(ACF)で接続する構成、材料が例示される。
図22(a)に図示するように、無酸素銅板104aと無酸素銅板104b間に半田等の接合層105が配置または形成される。
無酸素銅板104において、接合層105と接する面に、Ni-P膜111、金めっき膜112が形成されるが、図面が煩雑となるため図示していない。
22(c2), solder 123 for electrically connecting the lead wire 121 is formed or disposed on the
As shown in FIG. 22(a), a
In the oxygen-
無酸素銅板104bの表面にNi-P膜111が形成され、Ni-P膜111に金めっき膜112が形成されている。2つの金めっき膜112間に、接合層105が配置される。なお、金めっき膜112は接合層105が半田場合、半田内に拡散される。
無酸素銅板104aは、主として放熱板として機能し、無酸素銅板104bはヒータチップ109からの熱を接合層105に伝達する機能を有する。
A Ni--
The oxygen-
無酸素銅板104は、熱伝導性が良好なプレートであれば、銅以外の材質でプレートを形成してもよい。たとえば、セラミックプレート、ステンレスプレート、ニッケルプレート、銀プレートが例示される。本明細書では説明を容易にするため、また、理解を容易にするため、無酸素銅板104として説明をする。
The oxygen-
無酸素銅板104は、たとえば0.1mm以上2mm以下の銅板である。無酸素銅板104aの表面には、Ni-P膜111が形成される。Ni-P膜111は無酸素銅板104aの表面の全域に形成してもよいし、ヒータチップ109を実装する領域あるいは範囲に特定して形成してもよい。
図22(b)に図示するように、無酸素銅板104b上に、放熱(伝熱)グリス118を塗布、あるいは放熱(伝熱)グリス118を配置する。
The oxygen-
As shown in FIG. 22B, heat dissipating (heat conducting)
放熱(伝熱)グリス118で、ベースとなるのは、常温からある程度の高温まで、粘度の変化が少ない変性シリコン系のグリスである。この放熱(伝熱)グリスに、熱伝導率の高い金属あるいは金属酸化物の粒子(フィラー)を混ぜ込んだものを採用することが好ましい。
The heat dissipation (heat transfer)
粒子として主に用いられるのは銅や銀、アルミニウム等の他に、アルミナや酸化マグネシウム、窒化アルミニウム等も用いられる。これらの単体、もしくは混合物を、それらの粒子直径に見合った分散方法を用いて分散させる。 The main particles used are copper, silver, aluminum, etc., but also alumina, magnesium oxide, aluminum nitride, etc. These elements or mixtures are dispersed using a dispersion method appropriate for their particle diameter.
無酸素銅板104b上に、焼結銀(Ag)ペーストを採用することも好ましい。焼結銀ペーストとして、たとえば、三ツ星ベルトのMDotシリーズ(MDot-S5171)が例示される。MDot-S5171は、熱伝導率が15W/m・K以上と高い。
なお、焼結ペーストの熱伝導率は、4W/m・K以上のものを使用することが好ましい。焼結Agペーストの他、焼結銅(Cu)ペーストを用いてもよい。
It is also preferable to use sintered silver (Ag) paste on the oxygen-
The thermal conductivity of the sintered paste is preferably 4 W/m·K or more. In addition to the sintered Ag paste, a sintered copper (Cu) paste may be used.
焼結ペーストは、放熱(伝熱)グリスに比べて、熱伝導性が良好であり、ヒータチップ109の温度を低減できるという特徴を有する。たとえば、放熱(伝熱)グリスの場合、半田層を200℃とする場合、放熱(伝熱)グリスの耐熱温度、配線部の半田部の耐熱が不足する場合がある。焼結ペーストの場合は、この課題が発生しない。または、発生が抑制される。
Sintered paste has the advantage that it has better thermal conductivity than heat dissipation (heat transfer) grease and can reduce the temperature of the
図22(b)では、無酸素銅板104a上に、焼結Agペースト118等を配置するとしたが、ヒータチップ109の裏面に焼結Agペースト118等を塗布し、無酸素銅板104bとヒータチップ109を接合させても良いことは言うまでもない。
In FIG. 22(b), sintered
図22(c3)に図示するように、無酸素銅板104bに配置された放電グリスまたは焼結ペースト118に図22(c2)のヒータチップ109を配置する。たとえば、108が焼結ペーストの場合は、たとえば、200℃で60分間、低温で焼結させる。焼結により、ヒータチップ109と無酸素銅板104bとが熱的に接続される。
As shown in FIG. 22(c3), the
接合層105は一例として半田シートである。加熱することにより、半田からなる接合層105となる。半田シートが無酸素銅板104b上に配置される。半田シートの代わりに半田ペーストを用いても良い。
The
図22(d)に図示するように、ヒータチップ109と無酸素銅板104bは接合層105で接合される。また、図22(d)に図示するように、ヒータチップ109、無酸素銅板104b、接合層105は同時に研磨加工され、端面研磨される。端面研磨により、接合層105は鏡面化される。また、必要に応じて、接合層105はCP加工が実施される。
As shown in FIG. 22(d), the
図22(d)に図示するように、研磨加工した面にポリイミドフィルム107が貼り付けられる。もしくは、接合層105面に感光性ポリイミド膜を形成する。感光性ポリイミド膜は、スピンコート工法、スリットコート工法、スクリーン印刷による工法、インクジェットによる吹付ける工法、スプレーコート工法、ダイコート工法、ドクターナイフコート工法、フレキソ印刷工法等により、研磨加工した面に形成される。感光性ポリイミド膜を形成する箇所は少なくも接合層105を含む。
As shown in FIG. 22(d), a
図22(e)に図示するように、端子電極115上の半田123を介してリード線121が取り付けられる。リード線121には電流電源装置803が接続され、薄膜ヒータ117に定電流等が印加される。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層105の2次元的な温度分布を測定する。
22E, a lead wire 121 is attached via solder 123 on the
The
接合層105は、半田等による接合層に限定するものではない。たとえば、銀ペースト、あるいは銅ペーストにより接着した接合層(接続部)、焼結Agペーストからなる接合層(接続部)、ボンディングワイヤなどの接続部、放電加工による接続部、高周波誘導加熱による接合層(接続部)、電磁誘導加熱による融着部(接続部)に対しても適用できることは言うまでもない。
The
また、有機物あるいは無機物を圧着あるいは接触させた接合面に対しても適用できることは言うまでもない。絶縁物、誘電体材料からなる層も接合層(接続部)である。 It goes without saying that this can also be applied to bonding surfaces where organic or inorganic materials are pressed or brought into contact with each other. Layers made of insulating or dielectric materials are also bonding layers (connecting parts).
接続部の温度情報は、赤外線サーモグラフティカメラ108等で温度情報△Tを測定することができる。あるいはロックイン信号で温度を測定するロックイン赤外線サーモグラフティカメラ等も例示される。
The temperature information of the connection part can be measured using temperature information ΔT by an
本発明の接合層評価装置を使用した接合層の評価方法の実施例について説明する。発熱源としてSiC製ヒータチップ109(表面に薄膜ヒータ117、裏面にAg層(焼結Agペースト等)を有する)を使用した。ヒータチップ109の裏面、および無酸素銅板104へ無電解Ni-P膜111/置換金めっき膜112処理し、ヒータチップ109を無酸素銅板104上に半田付けしてサンプルを作製した。
An example of a bonding layer evaluation method using the bonding layer evaluation device of the present invention is described below. A SiC heater chip 109 (having a thin-
この時、ヒータチップ109近傍に無電解Ni-P膜111/置換金めっき膜112処理した両面銅張基板も同時に半田付けした。半田組成はSn-0.7Cu半田、使用する半田シ-トの厚みは100μmとした。
At this time, a double-sided copper-clad substrate with electroless Ni-
半田付けは大気圧リフロー(ピーク温度250℃ 10sec)にて実施し、半田付け後のヒータチップ109/無酸素銅板104間の半田厚が100±20μmになったサンプルを使用した。
Soldering was performed by atmospheric pressure reflow (
サンプルの端面を鏡面仕上げ後、ヒータチップ109の薄膜ヒータ117と上述した両面銅張板間をAuワイヤボンディング(φ25μm)により結線して、加熱冷却プレート101上に配置した。
After the end faces of the sample were mirror-finished, the
接合層105と接するNi-P膜111dおよびNi-P膜111aと接合層105は研磨または平坦化する。研磨または平坦化することにより、接合層105および近傍部は平坦になる。また、鏡面になる。平坦、また、鏡面にすることにより、接合層105等から放射する赤外線量が接合層105の温度と良好に相関するようにできる。したがって、外線サーモグラフティカメラ108の測定温度精度が向上する。
The Ni-
その後、ヒータチップ109の表面に形成または配置された薄膜ヒータ117に、電流電源装置803bで直流電流を印加して、ヒータチップ109を発熱させた。
これにより、ヒータチップ109裏面をHot側(加熱側)、銅プレート104側をCold側(冷却側)とする温度勾配を半田接合層へ生じさせた。
Thereafter, a direct current was applied from a current
This created a temperature gradient in the solder joint layer, with the rear surface of the
また、生じた温度勾配を可視化するために、サンプルの鏡面仕上げ面を赤外線サーモグラフティカメラ108により観察し、ヒータチップ109裏面のNi-P膜111層(Hot側Ni-P膜111層)と銅プレート104側のNi-P膜111層(Cold側Ni-P膜111層)間の温度差から温度勾配を決定した。
なお、断面の放射率を確保するためにポリイミドテ-プを貼り付けて赤外線サーモグラフティカメラ108による温度測定を実施した。
In order to visualize the generated temperature gradient, the mirror-finished surface of the sample was observed with an
In order to ensure the emissivity of the cross section, a polyimide tape was attached and the temperature was measured by the
ヒータチップ109裏面での温度が200℃、銅プレート104温度145℃程度でHot側とCold側のNi-P膜111層間の温度勾配が2571℃/cmになった。
When the temperature on the backside of the
本条件にてTM(サーモマイグレーション)試験を実施した。TM(サーモマイグレーション)試験時間は5hとした。さらに、温度勾配の有無による影響を把握するため、温度勾配を意図的に発生させない条件として、200℃に設定した恒温槽内に5h保持する200℃放置試験を実施したサンプルも用意した。 A TM (thermomigration) test was carried out under these conditions. The TM (thermomigration) test time was 5 hours. Furthermore, in order to understand the effects of the presence or absence of a temperature gradient, samples were also prepared for a 200°C storage test in which they were kept in a thermostatic chamber set at 200°C for 5 hours, as a condition in which a temperature gradient was not intentionally created.
TM(サーモマイグレーション)試験および200℃放置試験後、サンプルの端面を再度鏡面仕上げし、断面SEM観察により半田接合層を観察した。その際、半田接合層の成分分析はエネルギー分散型X線分析法(EDS)により実施した。さらに、各試験前後での半田接合層におけるNiの分布をEDSにより調査した。 After the TM (thermomigra- tion) test and the 200°C storage test, the end faces of the samples were mirror-finished again, and the solder joint layer was observed by cross-sectional SEM observation. At that time, the composition of the solder joint layer was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Furthermore, the distribution of Ni in the solder joint layer before and after each test was investigated by EDS.
初期ではチップ裏面および銅プレート104側のNi-P膜111層で、ともに合金層(Cu、Ni)6Sn5が形成していることが確認できた。200℃放置試験後では、チップ裏面の合金層が(Ni、Cu)3Sn4に変化しており、銅プレート104側では(Cu、Ni)6Sn5層の下に(Ni、Cu)3Sn4が形成している。(Cu、Ni)6Sn5層の成長に伴う半田中のCu濃度の減少に起因すると推察される。
Initially, it was confirmed that an alloy layer (Cu, Ni) 6 Sn 5 was formed on both the back surface of the chip and the Ni-
TM(サーモマイグレーション)試験後では、Hot側であるヒータチップ109裏面のNi-P膜111層が消失していることが判明した。また、Cold側である銅プレート104側のNi-P膜111層はPリッチ層の成長と縦状のボイドの形成およびNi-P膜111層の薄化が確認できるものの、Ni-P膜111層自体は残存している。
After the TM (thermomigra- tion) test, it was found that the Ni-
このことから、TM(サーモマイグレーション)試験によってHot側Ni-P膜111層の温度を200℃として、Ni-P膜111層間に2000-3000℃/cm程度の温度勾配を発生させると、Hot側Ni-P膜111層が消失することが明らかになった。
From this, it became clear that when the temperature of the hot-side Ni-
さらに、初期ではヒータチップ109裏面のNi-P膜111層上には合金層(Cu、Ni)6Sn5が形成していたが、TM(サーモマイグレーション)試験後ではヒータチップ109裏面のNi-P膜111層上に合金層が確認されていない。それに対して、TM(サーモマイグレーション)試験後の銅プレート104側Ni-P膜111層上は(Ni、Cu)3Sn4が10-30μm程度の厚みで形成していた。
これらのことから、200℃放置試験後とTM(サーモマイグレーション)試験後ではNiの分布に差異があるように見受けられる。
Furthermore, initially, an alloy layer (Cu, Ni) 6 Sn 5 was formed on the Ni-
From these findings, it appears that there is a difference in the Ni distribution after the 200° C. storage test and after the TM (thermomigrations) test.
初期および各試験後での半田接合層でのNiの分布を明らかにするため、EDSによりNiの分布を調べた結果、200℃放置試験後では、Niは、ヒータチップ109裏面および銅プレート104側のNi-P膜111層、およびNi-P膜111層上の合金層部のみに存在していた。TM(サーモマイグレーション)試験後ではヒータチップ109裏面側のNi-P膜111層が消失し、銅プレート104側にNiが拡散していた。
In order to clarify the distribution of Ni in the solder joint layer initially and after each test, the distribution of Ni was examined by EDS. As a result, after the 200°C storage test, Ni was only present in the Ni-
これらのことから、初期にヒータチップ109裏面でNi-P膜111層もしくは(Cu、Ni)6Sn5として存在していたNiは、TM(サーモマイグレーション)試験によってCold側Ni-P膜111層上へ拡散したことがわかる。
From these, it is understood that Ni that was initially present on the rear surface of the
TM(サーモマイグレーション)試験中におけるCuの拡散について検討した。初期ではヒータチップ109裏面に(Cu、Ni)6Sn5としてCuは存在していた。TM(サーモマイグレーション)試験後ではヒータチップ109裏面にCuは存在していなかった。
The diffusion of Cu during a TM (thermomigrations) test was examined. In the initial stage, Cu was present as (Cu, Ni) 6 Sn 5 on the rear surface of the
銅プレート104側Ni-P膜111層上では(Ni、Cu)3Sn4がTM(サーモマイグレーション)試験により10-30μm程度にまで厚くなっていたことから、銅プレート104側Ni-P膜111層上に存在するCuの量が増加したと考えられる。
Since the (Ni, Cu) 3 Sn 4 on the Ni-
したがって、TM(サーモマイグレーション)試験後では、ヒータチップ109裏面にCuは存在しなくなる一方で、銅プレート104側Ni-P膜111層上に存在するCuが増加していることから、TM(サーモマイグレーション)試験によりCuはHot側であるヒータチップ109裏面からCold側である銅プレート104上へ拡散したと推察される。
Therefore, after the TM (thermomigration) test, Cu is no longer present on the back surface of the
本試験では温度勾配が2000-3000℃/cmであり、CuのTM(サーモマイグレーション)発生時の温度勾配として1000℃/cmを超えている。さらに、移動方向がCold側であることも考慮すると、銅プレート104側へのCuの拡散はCuのTM(サーモマイグレーション)に起因する。
In this test, the temperature gradient was 2000-3000°C/cm, and the temperature gradient at the time of occurrence of Cu TM (thermimigration) exceeded 1000°C/cm. Furthermore, considering that the direction of movement was the cold side, the diffusion of Cu to the
TM(サーモマイグレーション)試験後ではヒータチップ109裏面のNi-P膜111層およびAg層が消失し、ヒータチップ109裏面にはSnのみが確認できる。このことから、SnはCuとNiとは反対の拡散方向であるヒータチップ109裏面側へTM(サーモマイグレーション)試験中に拡散している。
After the TM (thermomigration) test, the Ni-
Snは1000℃/cm以上で高温側へ拡散すると推測される本試験での温度勾配が2000-3000℃/cmであることから、SnのHot側への拡散はSnのTM(サーモマイグレーション)に起因する。 Sn is assumed to diffuse to the high temperature side at temperatures above 1000°C/cm. Since the temperature gradient in this test was 2000-3000°C/cm, the diffusion of Sn to the hot side is due to thermomigration (TM) of Sn.
ニッケル(Ni)のTM(サーモマイグレーション)に必要な温度勾配は8050℃/cmと見積られている。本試験の温度勾配が2000-3000℃/cm程度であることを考慮すると、NiのTM(サーモマイグレーション)が発生しているとは考えにくい。 The temperature gradient required for TM (thermomigration) of nickel (Ni) is estimated to be 8050°C/cm. Considering that the temperature gradient in this test was approximately 2000-3000°C/cm, it is unlikely that TM (thermomigration) of Ni is occurring.
現時点では、ヒータチップ109裏面へSnが拡散する環境下ではNi-P膜111層上の合金層が剥離しやすい状態ではないかと考えられる。その場合、合金層が剥離したNi-P膜111層上では新たにNiを含む合金層が形成すると予想される。200℃放置試験よりもNi-P膜111層が消費されやすい環境であったと考えられる。
At this point in time, it is believed that the alloy layer on the Ni-
以上のことから、Sn-0.7Cu/Ni-P膜111半田接合層において、Hot側を200℃とする2000-3000℃/cm程度の温度勾配を発生させると、Hot側Ni-P膜111層が消失することが判明した。
From the above, it was found that when a temperature gradient of about 2000-3000°C/cm is generated in the Sn-0.7Cu/Ni-
以下、図面を参照しながら、本発明のヒータチップの他の実施例について説明をする。なお、説明は、先に記載した実施例との差異点を中心に説明をする。したがって、特に記載のない事項は、先に説明した実施例と同一あるいは類似である。 Below, we will explain another embodiment of the heater chip of the present invention with reference to the drawings. The explanation will focus on the differences from the previously described embodiment. Therefore, matters that are not specifically mentioned are the same as or similar to the previously described embodiment.
図27は、第2の実施例における本発明のヒータチップの平面図および断面図である。図27(b)は図27(a)のAA’線における断面図であり、図27(c)は図27(a)のBB’線における断面図であり、 Figure 27 shows a plan view and a cross-sectional view of a heater chip of the present invention in a second embodiment. Figure 27(b) is a cross-sectional view taken along line AA' in Figure 27(a), and Figure 27(c) is a cross-sectional view taken along line BB' in Figure 27(a).
ベース基板106として、図2の実施例と同様に、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)、サファイアガラス等のガラス基板、AlNセラミックスあるいはAlN(窒化アルミニウム)等の絶縁基板あるいは半導体基板が例示される。
As in the embodiment of FIG. 2, examples of the
ベース基板106は、SiCからなる基板として説明をする。しかし、ベース基板106は熱伝導性が良好で、絶縁性または半導体性を有する基板であれば、いずれのものであっても採用できることは言うまでもない。
The
ベース基板106の厚みは、0.05mm以上0.8mm以下とする。ただし、ベース基板106の厚みは、薄い方が薄膜ヒータ117からの熱が接合層に伝達されやすい。しかし、ベース基板106の厚みが薄いと、薄膜ヒータ117が形成されている箇所と形成されていない箇所で、接合層での温度分布が発生しやすい。
The thickness of the
薄膜ヒータ117および温度プローブ116はNi(ニッケル)-P、またはNiで形成あるいは構成する。Ni-P膜111aの膜厚は、1μm以上10μm以下の膜厚が好ましい。特に、2μm以上6μm以下の膜厚にすることが好ましい。
金めっき膜112の膜厚は0.01μm以上とする。金めっき膜112はNi-P膜111の表面の酸化あるいは汚染を防止あるいは抑制する機能を有する。
The
The
SiC基板106の表面には、薄膜ヒータ117、温度プローブ116が形成される。薄膜ヒータ117、温度プローブ116は、Ni-Pめっきによる薄膜(Ni-P膜111d)で形成される。Niの他、白金(Pt)で構成あるいは形成してもよい。その他、亜鉛、錫、鉛、クロム等も使用することができる。金属以外、たとえば、炭素(C)で形成することができる。
A thin-
温度プローブ116は薄膜ヒータ117と同一材料、同一プロセス工程で形成される。薄膜ヒータ117がNi-P膜の場合、温度プローブ116もNi-P膜で形成される。温度プローブ116は配線幅を細く形成し、プローブの抵抗値を高くする。
The
温度プローブ116には定電流を印加する。温度プローブ116の抵抗値を高くすることにより、抵抗値変化が大きくなり、定電流に対する温度プローブ116端子間の電圧変化が大きくなる。したがって、温度プローブ116が検出する薄膜ヒータ117の温度変化に関する感度が良好になる。温度プローブ116の抵抗値は、5Ω以上、1kΩ以下に作製する。
A constant current is applied to the
温度プローブ116の両端には端子電極114a、端子電極114bを形成する。薄膜ヒータ117の両端には端子電極115a、端子電極115bを形成する。
端子電極114の表面等には金めっき膜112を形成する。金めっき112は、端子電極114部だけでなく、延長して温度プローブ116部のa部まで形成されている。
A
端子電極115の表面等には金めっき膜112を形成する。金めっき112は、端子電極115部だけでなく、延長して薄膜ヒータ117部のb部まで形成されている。
A
ただし、薄膜ヒータ117、温度プローブ116上には、金めっき膜112は形成しない。金めっき膜112を形成すると、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の抵抗値が低下し、発熱あるいは温度変化に関する感度が低下するからである。薄膜ヒータ117、温度プローブ116のシート抵抗値は、電極端子のシート抵抗値より高くする。
However, the
薄膜ヒータ117、温度プローブ116上には、SiO2膜、SiNx膜、SiON膜からなる単層または多層膜を形成してもよい。SiO2膜等の無機薄膜を形成することにより、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の表面が酸化あるいは汚染されることを抑制できる。
A single layer or multilayer film made of a SiO2 film, a SiNx film, or a SiON film may be formed on the
SiC基板106には薄膜ヒータ117を形成するとして説明するが、これに限定するものではない。薄膜ヒータ117は基板106を加熱するために配置または形成したものである。薄膜ヒータ117の代替えとして、ニクロム線を組み込んだ面ヒータ、ペルチェ素子を用いたヒータ等を使用してもよい。ニクロム線を組み込んだ面ヒータ、ペルチェ素子に流す電流によりベース基板106を加熱することができる。
Although the description will be given assuming that a thin-
研磨加工した端面Cにポリイミド(PI)テープ(シート)107等を貼り付ける。ヒータチップ109としての薄膜ヒータ117に所定の定電流を印加し、定電流による発熱により、半田等による接合層等を加熱しつつ、端面の研磨部を赤外線サーモグラフィティカメラ等で観察あるいは測定する。観察あるいは測定は、ポリイミドフィルムを介して行う。研磨部の接合層の温度を複数点測定し、複数点間の温度情報△Tを求める。
A polyimide (PI) tape (sheet) 107 or the like is attached to the polished end face C. A predetermined constant current is applied to the
また、研磨加工した端面Cには、感光性ポリイミド膜107を形成する。感光性ポリイミド膜107は、スピンコート方法、スリットコート方法、スクリーン印刷による方法、インクジェットによる吹付ける方法、スプレーコート方法、ダイコート方法、ドクターナイフコート方法、フレキソ印刷等により、研磨加工した面に形成または配置される。
In addition, a
感光性ポリイミド膜107とポリイミド(PI)テープ(シート)107は、基本的には機能が同一または類似である。以下、主にポリイミドテープ107を例示して説明する。なお、ポリイミドテープ107をポリイミド膜107に置き換えても良いことは言うまでもない。
The
本発明のヒータチップ109において、ポリイミドテープ107を端面に貼り付けて赤外線サーモグラフティカメラ108によりポリイミドテープ107表面の温度の測定をする場合を例示する。
In the
熱伝導によりポリイミドテープ107内での温度低下が生じるので赤外線サーモグラフティカメラ108により測定される温度は実際の端面の温度よりも低くなる。
Thermal conduction causes a temperature drop within the
図23に示すグラフは、ポリイミドテープ107を研磨面に貼り付けた状態で薄膜ヒータ117に通電し、温度プローブ116の温度(℃)と赤外線サーモグラフティカメラ108で測定されたサーモグラフィ温度(℃)の示すものである。
The graph in Figure 23 shows the temperature (°C) of the
図23において、黒丸は温度プローブ116の温度を示す。温度プローブ116の温度は、定電流を印加した温度プローブ116の端子間電圧を測定し、温度に換算した値である。メモリ軸は左側に示す。白丸はポリイミドテープ107内での温度低下を示し、メモリ軸は右側に示す。
In FIG. 23, the black dots indicate the temperature of the
ポリイミドテープ107内での温度低下は、温度プローブ116と、赤外線サーモグラフティカメラ108で測定されたサーモグラフィ温度(℃)から、以下の式で求めた値である。赤外線サーモグラフティカメラ108で測定点は、図25のFの点線位置である。
ポリイミドテープ107内での温度低下(℃)= 温度プローブ(℃)-サーモグラフィ温度(℃)である。
The temperature drop in the
Temperature drop in polyimide tape 107 (°C)=Temperature probe (°C)-Thermography temperature (°C).
たとえば、赤外線サーモグラフティカメラ108で測定されたサーモグラフィ温度(℃)が、200℃であれば、ポリイミドテープ107内での温度低下(℃)は、35℃である。したがって、端面200℃にする場合はサーモグラフィ温度を200℃-35℃=165℃にすればよい。
他の端面温度で実施する場合も図23のグラフから適切なサーモグラフィ温度を読み取ればよいことは言うまでもない。
For example, if the thermography temperature (°C) measured by the
Needless to say, when carrying out the experiment at other end surface temperatures, the appropriate thermography temperature can be read from the graph in FIG.
赤外線サーモグラフティカメラ(赤外線カメラ)108がスターリングクーラーを搭載した冷却型である場合、スターリングクーラーの平均故障時間が1万時間であること、本試験が数百時間単位になることを考慮すると、高価なスターリングクーラーの交換が必要になる。したがって、赤外線サーモグラフティカメラ108で試験中の温度制御を実施することは非経済的である。
If the infrared thermography camera (infrared camera) 108 is a cooled type equipped with a Stirling cooler, the Stirling cooler will need to be replaced, which is expensive, considering that the average time to failure of a Stirling cooler is 10,000 hours and that this test will last for several hundred hours. Therefore, it is not economical to use the
図24は、本発明の接合層等の評価方法の説明図である。赤外線カメラ108で接合層の温度を測定する。赤外線カメラ108で測定する温度は、試験時間に伴い温度が上昇する。設定する所定電流の印加により、温度は上昇する。通常、図24の実線で示すように赤外線カメラ108で測定する温度は、2分以内に定常値となる。
Figure 24 is an explanatory diagram of the evaluation method of the bonding layer, etc. of the present invention. The temperature of the bonding layer is measured by an
一方、温度プローブ116で温度をモニターする。温度プローブ116でモニターする温度は、試験時間に伴い温度が上昇する。温度プローブ116に流す所定の定電流の印加により、温度は上昇し、通常、図24の点線で示すようにモニターする温度は、2分以内に定常値となる。
図23で説明したように、温度プローブ116でモニターする温度と、赤外線カメラ108で測定される温度とは、差異が発生する。
Meanwhile, the temperature is monitored by the
As described with reference to FIG. 23, a difference occurs between the temperature monitored by the
温度プローブ116は、ヒータチップ109に形成または配置されている。試験前は、赤外線カメラ108で温度を測定し、定常値になる時間tで、温度プローブ116での温度モニターに切り替える(制御対象切換え)。
The
以上のように、温度プローブ116を搭載したヒータチップ109を利用することで、高価な赤外線カメラ108を占有する必要がなくなる。つまり、複数のヒータチップ109による測定あるいは評価試験において、1台の赤外線カメラ108で実施できる。
試験開始前には赤外線カメラ108で温度を制御し、目標の試験温度に調整する。この際、温度プローブ116による温度モニターも実施している状態である。
As described above, by using the
Before the start of the test, the temperature is controlled by the
目標試験温度に到達した時刻tで、温度プローブ116の温度を一定に制御するようにプログラマブルな直流電源装置803に命令を出す。この時点で試験が開始したとする。つまり、温度プローブ116による制御に切替える。
なお、任意の基準で一定時間経過後や、直流電源の出力の継時変化等、再度、赤外線カメラ108での温度制御に変更しても良いことは言うまでもない。
At time t when the target test temperature is reached, a command is issued to the programmable DC power supply 803 to control the temperature of the
It goes without saying that the temperature control may be switched back to the
図25に図示するように、端子電極114、端子電極115には、高温半田126が形成、または配置され、高温半田126には配線127が取り付けられる。各配線127には電流電源装置803が配置され、電流電源装置803が出力する定電流を端子電極114または端子電極115に印加する。
As shown in FIG. 25, high-temperature solder 126 is formed or placed on
高温半田は、鉛含有量が90%以上、更に好ましくは95%以上の半田を使用することが好ましい。鉛含有率が高くなると、融点が300℃と高くなり、柔らかいという特性から熱疲労に強くなる。 For high-temperature solder, it is preferable to use solder with a lead content of 90% or more, and more preferably 95% or more. With a higher lead content, the melting point increases to 300°C, and its softness makes it more resistant to thermal fatigue.
端子電極115aには高温半田126dが形成または配置され、高温半田126dには配線127dが取り付けられる。端子電極115bには高温半田126eが形成または配置され、高温半田126eには配線127eが取り付けられる。
High-
端子電極114aには高温半田126fが形成または配置され、高温半田126fには配線127fが取り付けられる。端子電極114bには高温半田126gが形成または配置され、高温半田126gには配線127gが取り付けられる。
図25において、aa’間が温度プローブ116となる。aa’間抵抗は、5Ω以上1000Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上500Ω以下が好ましい。
bb’間が薄膜ヒータ117となる。bb’間抵抗は、5Ω以上500Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上200Ω以下が好ましい。
25, the section between a and a is the
The area between bb and ' constitutes the
Ni-P層111は、めっき後の配線抵抗の熱安定性に乏しい。薄膜ヒータ117及び温度プローブ116は、試験時に100℃以上300℃以下となり、試験中に温度プローブ116等の配線抵抗が減少する。
そのため、温度プローブを利用した温度測定(電圧から温度への換算)と、制御アプリによる温度制御が困難になる。
The Ni--
This makes it difficult to measure temperature using a temperature probe (converting voltage to temperature) and to control the temperature using a control app.
本発明は、Ni-P層111のめっき後のヒータチップ109を250℃以上350℃以下の温度で、6時間以上、熱処理を行っている。更に好ましくは、10時間以上の熱処理を行う。
熱処理を行うことにより、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の配線抵抗が安定する。図26は、熱処理による抵抗の変化を示すグラフである。
In the present invention, the
The heat treatment stabilizes the wiring resistance of the
図25に図示する斜線内に半田付けした状態を“半田付け後”と記載している。熱処理前に、半田付けを行う。半田付け無しで熱処理すると端子電極114部、端子電極115部で、半田が濡れなくなる、または、濡れ性が悪化するためである。
The state where soldering is performed within the shaded area in Figure 25 is described as "after soldering." Soldering is performed before heat treatment. This is because if heat treatment is performed without soldering, the solder will not wet or the wettability will deteriorate at
図25の斜線内に半田付けすることにより、温度プローブ116、薄膜ヒータ117の抵抗値が低下する。たとえば、温度プローブ116は、配線抵抗が130Ωから半田付けにより約50Ωに低下する。薄膜ヒータ117は、配線抵抗が約50Ωから半田付けにより約25Ωに低下する。
By soldering within the shaded area in FIG. 25, the resistance values of the
半田付け後、熱処理を行うことにより、薄膜ヒータ117および温度プローブ116の抵抗値は低下する。熱処理時間が、6時間で配線(薄膜ヒータ117および温度プローブ116)の抵抗値は、ほぼ安定し、熱処理時間が10時間で配線(薄膜ヒータ117および温度プローブ116)の抵抗値は完全に安定する。また、半田付け無しで熱処理すると端子電極部で、半田が濡れなくなる。
After soldering, heat treatment is performed, which reduces the resistance of the thin-
熱処理時間は300℃下での熱処理時間に対する配線抵抗変化を事前に調査した上で決定している。Ni-Pめっきを使用したヒータチップとして成立させるために必須な処理工程である。 The heat treatment time was determined based on a prior investigation into the change in wiring resistance versus heat treatment time at 300°C. This is a necessary process for the heater chip to be produced using Ni-P plating.
端子電極114および端子電極115には、リード線121を半田付け、あるいはプローブ(図示せず)を圧接し、電流電源装置803が出力する定電流を端子電極114、端子電極115、端子電極124等に印加する。
以下、図面を参照しながら、図27、図28等に図示する本発明のヒータチップ109の作製方法について説明する。
図29~図33において、各図の左側の図面は、ヒータチップの側面図を示しており、各図の左側の図面は、ヒータチップ109の平面図を示している。
A lead wire 121 is soldered to the
Hereinafter, a method for producing the
29 to 33, the left side of each figure shows a side view of the heater chip, and the left side of each figure shows a plan view of the
図29(a1)、図29(a2)に図示するように、SiC基板106の表面にマスク501aを塗布する。同様に、SiC基板106の裏面にマスク501bを塗布する。マスク501としては、アルカリ可溶タイプのアクリルポリマーを含むものが好ましい。
As shown in Fig. 29(a1) and Fig. 29(a2), a
次に、フェムト秒レーザ装置(図示せず)を用いて、SiC基板106の表面を粗化する(図29(b1)、図29(b2))。フェムト秒レーザ光502またはピコ秒レーザ光502を照射し、SiC基板106の表面の、温度プローブ116、薄膜ヒータ117、端子電極114、端子電極115に対応する部分を粗面化する。
Next, the surface of the
ピコ秒レーザ光502、あるいはフェムト秒レーザ光502等の照射により、SiC基板106の温度プローブ116、薄膜ヒータ117、端子電極114、端子電極115端子電極115、薄膜ヒータ117に粗化面119aが形成される。
By irradiating the
特に、フェムト秒のグリーンレーザは、第二高調波であるため、比較的高出力を取り出すことができ、SiC基板106に対しても、照射したレーザ光の吸収が良好である。
粗化された算術平均粗さRaは0.2μm以上である。算術平均粗さRaは、0.3μm以上、0.4μm以上、0.5μm以上の順により好ましい。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスク501の部分が除去され、凹部が形成される。
In particular, since a femtosecond green laser is a second harmonic, it is possible to extract a relatively high output, and the irradiated laser light is well absorbed by the
The roughened arithmetic mean roughness Ra is 0.2 μm or more, and more preferably 0.3 μm or more, 0.4 μm or more, and 0.5 μm or more, in that order.
By irradiating a pulse of
配線のパターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)は、マスク501の表面に形成されたマーク130に基づいて行ってもよい。SiC基板106上に形成された十字マーク130等に基づいて位置決めを行う。十字マーク130をカメラで画像認識して、SiC基板106の位置決めを行う。十字マーク130等は少なくとも、対角線等に2箇所を設ける。
Patterning of wiring (
SiC基板106上に形成された十字マーク130をカメラで取り込み、十字マーク130を画像認識して十字マーク130位置と設計座標を比較し、パターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)位置(レーザ光を照射する箇所)に位置決めしてレーザ光502を照射する。
粗化状態の可変は、フェムト秒レーザ光502のレーザ強度、照射するレーザパルスの移動速度を変更あるいは設定することにより容易に実現できる。
The
The roughening state can be easily varied by changing or setting the laser intensity of the
SiC基板106に対し酸性脱脂剤を用い、たとえば45℃、5分の条件で脱脂を行う。塩酸系水溶液を用いてプリディップ処理を行う。保持時間は、一例として2分である。
The
次に、図30(c1)、図30(c2)に図示するように、Sn-Pd触媒504aを粗面化された粗化面119、およびマスク501aの残存している部分の表面に付与、塗布あるいは形成する。
Sn-Pd触媒504aはコロイド状の粒子であり、Sn-Pdの核部の表面にSn-rich層、およびSn2+層が順に形成されている。
Next, as shown in FIG. 30(c1) and FIG. 30(c2), a Sn--
The Sn--
Sn-Pd触媒504aを付与したSiC基板106を塩酸系の溶液に浸漬することでSnの層が除去され、内部のPd触媒が露出する。Pd触媒が露出するので、Sn-Pd触媒504aが存在する部分において、後述する無電解Ni-Pめっき液による反応が生じる。
By immersing the
次に、図30(d1)、図30(d2)に図示するように、アルカリ溶液を用いて、マスク501aを剥離する。図30(d1)に図示するように、SiC基板106のマスク501が剥離された部分にはSn-Pd触媒504aが存在しなくなる。
Next, as shown in Fig. 30(d1) and Fig. 30(d2), the
次に、図31(e1)、図31(e2)に図示するように、SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、温度プローブ116、薄膜ヒータ117が形成される。
Next, as shown in Figures 31(e1) and 31(e2), electroless Ni-P plating is performed on the surface of the
次に、図31(f1)、図30(f2)に図示するように、温度プローブ116、薄膜ヒータ117を形成する箇所を中心として、マスキングテープ120aを形成または配置する。
Next, as shown in FIG. 31(f1) and FIG. 30(f2),
端子電極114、端子電極115を形成する部分にはマスキングテープ120aは形成または配置されない。また、図31(f2)に示す電極近傍のa部、b部にはマスキングテープ120aは形成または配置されない。
Masking
図31(f2)において、図27(a)の点線のように、端子電極114および端子電極115の端に一致するようにマスキングテープ120cが形成または配置された場合を考える。
In FIG. 31(f2), consider the case where masking
図27(a)の点線の場合のマスキングテープ120c端では置換Auめっき液が侵入し、直線部のNi-P上にAuめっきが形成される。半田付け時にこの箇所に半田が流れると、Ni-P層が薄いため、半田くわれによる断線が発生しやすくなる。断線が発生するとヒータチップ109の断線による試験停止が発生する。つまりヒータチップ109の寿命が短くなる。
In the case of the dotted line in Figure 27 (a), the displacement Au plating solution penetrates into the end of the
この現象を回避するために、図31(f2)に図示するように、マスキングテープ120aをa部、b部をカバーしないように形成または配置する。つまり、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の直線部にも一部だけパッド部と同じだけのNi-P層厚みを形成し、半田が直線部に流れても断線に至らないようにする。
To avoid this phenomenon, as shown in FIG. 31(f2),
図32(g1)、図32(g2)に図示するように、薄膜ヒータ117、温度プローブ116を形成する箇所を中心として、マスキングテープ120aを形成または配置する。
As shown in Figures 32(g1) and 32(g2),
端子電極115を形成する部分とb部、b’部にはマスキングテープ120aは形成または配置されない。また、端子電極114を形成する部分とa部、a’部にはマスキングテープ120aは形成または配置されない。
Masking
図32(h1)、図32(h2)に図示するように、図20(k1)、図20(k2)と同様に、SiC基板106の表面に無電解Ni-Pめっきを行い、端子電極115、端子電極114等に無電解Ni-Pめっき膜111bが形成される。
As shown in Figures 32(h1) and 32(h2), similar to Figures 20(k1) and 20(k2), electroless Ni-P plating is performed on the surface of the
図32(g1)に図示するように、薄膜ヒータ117部、温度プローブ116部は無電解Ni-Pめっき膜111aが形成される。端子電極115部、端子電極114部は、無電解Ni-Pめっき膜111aと無電解Ni-Pめっき膜111bとが積層されて形成される。
As shown in FIG. 32(g1), the
したがって、端子電極115部、端子電極11部は、薄膜ヒータ117部よりも抵抗値が低くなる。端子電極115部、端子電極114部は抵抗値が小さいため、所定の定電流を印加しても発熱が発生しない。薄膜ヒータ117部は、抵抗値が高いため、所定の定電流の印加により、良好に発熱する。
Therefore, the
図32(h1)、図32(h2)に図示するように、端子電極114部、a部、a’部に置換Au膜(端子電極114)が形成される。端子電極115部、b部、b’部に置換Au膜(端子電極115)が形成される。以上のように、端子電極に対応する箇所のNi-P膜111bの表面には金めっき膜115が形成される。
As shown in Figures 32(h1) and 32(h2), a substituted Au film (terminal electrode 114) is formed on
次に、図33(i1)、図33(i2)に図示するように、マスキングテープ120a、マスキングテープ120bを剥離させる。マスキングテープ120aの剥離により、薄膜ヒータ117としてのNi-Pめっき膜111aが露出する。また、温度プローブ116としてのNi-Pめっき膜111aが露出する。
以上の工程により、端子電極115および薄膜ヒータ117がSiC基板106上に形成される。
Next, as shown in Figure 33 (i1) and Figure 33 (i2), the
Through the above steps, the
次に、図33(j1)、図33(j2)に図示するように、ヒータチップ109のc面から端面研磨される。端面研磨により、薄膜ヒータ117の端面が側面に露出する。また、必要に応じて、接合層105はCP加工が実施される。
Next, as shown in Figures 33(j1) and 33(j2), the end faces of the
接合層の評価時は、研磨加工した面にポリイミドフィルム107が貼り付けられる。もしくは、接合層105面に感光性ポリイミド膜を形成する。感光性ポリイミド膜は、研磨加工した面に形成される。感光性ポリイミド膜を形成する箇所は少なくも評価等を行う接合層等を含む。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層等の2次元的な温度分布を測定する。
When evaluating the bonding layer, a
The
以下、本発明の他の実施例におけるヒータチップについて説明する。図34は、本発明の他の実施例におけるヒータチップ109の平面図であり、図35は、本発明の他の実施例におけるヒータチップ109の側面図である。
Hereinafter, a heater chip according to another embodiment of the present invention will be described. FIG. 34 is a plan view of a
図34等を参照しながら、サーモマイグレーション(TM)試験と、エレクトロマイグレーション(EM)試験の両方を同時に実施できる複合試験用ヒータチップ109について説明する。
With reference to Figure 34 etc., we will explain the combined
サーモマイグレーション(TM)試験とエレクトロマイグレーション(EM)試験の影響を同時に調査する複合試験(TMEM試験)を実施する場合、半田接合部へ温度勾配を発生させるとともに、半田接合部に電流を印加する必要がある。 When conducting a combined test (TMEM test) that simultaneously investigates the effects of thermomigration (TM) and electromigration (EM) tests, it is necessary to generate a temperature gradient at the solder joint and apply a current to the solder joint.
パワーモジュールやTO-247パッケージ等で連続通電試験をすることで、素子が発熱すると同時に、半田接合部へ電流が流れ、サーモマイグレーション(TM)とエレクトロマイグレーション(EM)の影響を見ることができる。 By conducting continuous current tests on power modules and TO-247 packages, the elements heat up and current flows through the solder joints, allowing the effects of thermomigration (TM) and electromigration (EM) to be observed.
半導体素子の抵抗(オン抵抗等)に依存して接合部温度が決定される。たとえば、接合部温度を比較的低くい状態で高電流密度を実現するのは難しい。逆に、接合部温度が高い状態で定電流密度を実現するのも難しい。したがって、従来の連続通電試験では、選択できる試験温度と電流密度に制限があった。 The junction temperature is determined depending on the resistance (on-resistance, etc.) of the semiconductor element. For example, it is difficult to achieve a high current density when the junction temperature is relatively low. Conversely, it is also difficult to achieve a constant current density when the junction temperature is high. Therefore, in conventional continuous current tests, there were limitations on the test temperatures and current densities that could be selected.
本発明は、図34に図示するように、ヒータチップ109に電流印加用経路132が形成または配置されている。電流印加用経路132の両端には端子電極124a、端子電極124bが配置されている。
In the present invention, as shown in FIG. 34, a
電流印加用経路132、端子電極124a、端子電極124bは、温度プローブ116と同様に、Ni-P111で形成され、表面に金めっき112が施されている。
The
図34に図示するように、端子電極114、端子電極115、端子電極124には、高温半田126が形成、または配置され、高温半田126には配線127が取り付けられる。各配線127には電流電源装置803が配置され、電流電源装置803が出力する定電流を端子電極114または端子電極115または、端子電極124に印加する。
端子電極115aには高温半田126dが形成または配置され、高温半田126dには配線127dが取り付けられている。
端子電極115bには高温半田126eが形成または配置され、高温半田126eには配線127eが取り付けられる。
端子電極124aには高温半田126bが形成または配置され、高温半田126bには配線127bが取り付けられる。
端子電極124bには高温半田126cが形成または配置され、高温半田126cには配線127cが取り付けられる。
端子電極114aには高温半田126fが形成または配置され、高温半田126fには配線127fが取り付けられる。
端子電極114bには高温半田126gが形成または配置され、高温半田126gには配線127gが取り付けられる。
34 , high temperature solder 126 is formed or placed on
A high-
A
端子電極114a、端子電極114b間には温度プローブ116が配置され、温度プローブ116に定電流が印加される。また、端子電極114aと端子電極114b間の電圧を測定できるように構成されている。定電流は、可変設定できるように構成されている。
A
端子電極115a、端子電極115b間には薄膜ヒータ117が配置され、薄膜ヒータ117に定電流が印加される。定電流は、可変設定できるように構成されている。
A thin-
端子電極124a、端子電極124b間には、電流印加用経路132が形成または配置されている。電流印加用経路132には定電流が印加される。定電流は、可変設定できるように構成されている。端子電極124a、端子電極124b、電流印加用経路132の表面は、金めっき112が形成され、抵抗値が低くなるように形成されている。
金属板(銅板)129にも高温半田126aが接続または配置され、高温半田126aに配線127aが接続されている。
A
なお、説明を容易にするため金属板(銅板)129として説明するが、金属板に限定するものではなく、熱導電性が良好な基板、シートであればいずれのものでもよい。たとえば、カーボングラファイトからなるシートあるいは基板が例示される。この場合は、圧着接続、融着接続などが行われる。
図34においても、aa’間が温度プローブ116となる。aa’間抵抗は、5Ω以上1000Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上500Ω以下が好ましい。
bb’間が薄膜ヒータ117となる。bb’間抵抗は、5Ω以上500Ω以下が好ましい。特に、10Ω以上200Ω以下が好ましい。
電流印加経路132の抵抗値は、小さい方が望ましく、少なくとも、薄膜ヒータ117の抵抗値よりも小さく形成する。
For ease of explanation, the metal plate (copper plate) 129 will be described, but it is not limited to a metal plate and any substrate or sheet having good thermal conductivity may be used. For example, a sheet or substrate made of carbon graphite is exemplified. In this case, pressure bonding or fusion bonding is performed.
34, the section between a and a' corresponds to the
The area between bb and ' constitutes the
The resistance value of the
図35に図示するように、SiC基板106に薄膜ヒータ117、温度プローブ116、電流印加経路132が形成されている。SiC基板106は銅プレート104と、焼結Agペースト充填層125で接続されている。銅プレート104は、無酸素銅板が好ましいが、他の金属でも良いことは言うまでもない。
焼結Agペーストは、SiC基板106に形成されたスルーホール(TH)131にも充填され、焼結Agペースト充填部134を形成している。
35, a
The sintered Ag paste is also filled into through holes (TH) 131 formed in the
金属板(銅板)129は放熱機能を有するものである。金属板(銅板)129の材料は銅に限定されるものではなく、他の金属でも良いことは言うまでもない。金属板(銅板)129と銅プレート(無酸素銅板)104とは、接合層105としての半田層で接続されている。
図35、図36に図示するように、エレクトロマイグレーション(EM)用の定電流128aは、EM用直流電源装置803cから供給される。
The metal plate (copper plate) 129 has a heat dissipation function. The material of the metal plate (copper plate) 129 is not limited to copper, and it goes without saying that other metals may be used. The metal plate (copper plate) 129 and the copper plate (oxygen-free copper plate) 104 are connected by a solder layer serving as a
As shown in FIGS. 35 and 36, a constant current 128a for electromigration (EM) is supplied from an EM DC power supply device 803c.
定電流128aは、定電流128bとなり、焼結Agペースト充填層125を介して、スルーホール(TH)131に充電された焼結Agペースト充填部134等を通じて、電流印加用経路132に流れこむ。
The constant current 128a becomes constant current 128b, and flows through the sintered Ag
定電流128bは、図36に図示するように、定電流128c、定電流128eとなる。定電流128cは、端子電極124aに流れ込む。定電流128eは端子電極124eに流れ込む。
As shown in FIG. 36, constant current 128b becomes constant current 128c and constant current 128e. Constant current 128c flows into
定電流128aの電流の大きさ、流れる向きを所定値に変化あるいは設定することにより、エレクトロマイグレーション(EM)試験を良好に実施できる。また、エレクトロマイグレーション(EM)の効果を良好に発揮できる。 By changing or setting the magnitude and flow direction of the constant current 128a to a predetermined value, the electromigration (EM) test can be performed satisfactorily. In addition, the effect of electromigration (EM) can be effectively exerted.
定電流128aは、サーモマイグレーション(TM)用の定電流128dと連動させることが好ましい。また、薄膜ヒータ117、温度プローブ116の温度あるいは電流と連動させる。
It is preferable that the constant current 128a is linked to the constant current 128d for thermomigration (TM). It is also linked to the temperature or current of the
サーモマイグレーション(TM)用の定電流128dは、EM用直流電源装置803dから供給される。定電流128dは、薄膜ヒータ117a、薄膜ヒータ117bに流れる。
The constant current 128d for thermomigration (TM) is supplied from the EM DC power supply device 803d. The constant current 128d flows through the
定電流128dは、エレクトロマイグレーション(EM)用の定電流128aと連動させることが好ましい。また、サーモマイグレーション(TM)用の定電流128dは薄膜ヒータ117、温度プローブ116の温度あるいは電流と連動させる。
It is preferable that the constant current 128d is linked to the constant current 128a for electromigration (EM). The constant current 128d for thermomigration (TM) is linked to the temperature or current of the
以上のように、図34、図35、図36等で示すヒータチップ109は、図27にヒータチップ109に加えて、電流印加経路132を形成または配置することにより、自由に試験温度と電流密度を選択可能なサーモマイグレーション(TM)、エレクトロマイグレーション(EM)を実施できる。サーモマイグレーション(TM)とエレクトロマイグレーション(EM)を実施できる複合試験用ヒータチップを実現している。
As described above, the
図37は、本発明のヒータチップにおける電流密度(kA/cm2)と接合部温度(℃)との関係を示すグラフである。図37のグラフでは、電流密度(kA/cm2)が0の時に、接合部温度(℃)は、50℃である。電流密度(kA/cm2)が大きくなるにしたがって、接合部温度(℃)が上昇し、電流密度(kA/cm2)が4(kA/cm2)で、接合部温度(℃)は、95℃となる。 Fig. 37 is a graph showing the relationship between current density (kA/ cm2 ) and junction temperature (°C) in the heater chip of the present invention. In the graph of Fig. 37, when the current density (kA/ cm2 ) is 0, the junction temperature (°C) is 50°C. As the current density (kA/ cm2 ) increases, the junction temperature (°C) rises, and when the current density (kA/ cm2 ) is 4 (kA/ cm2 ), the junction temperature (°C) is 95°C.
エレクトロマイグレーション(EM)用電流印加により、接合部200℃程度になる場合、サーモマイグレーション(TM)試験は同時に実施できない。図37では、エレクトロマイグレーション(EM)用電流印加による接合部温度は数十℃である。したがって、同時にサーモマイグレーション(TM)試験を十分に実施可能である。 If the application of an electromigration (EM) current causes the junction to reach approximately 200°C, a thermomigration (TM) test cannot be performed at the same time. In Figure 37, the junction temperature caused by the application of an electromigration (EM) current is several tens of degrees Celsius. Therefore, it is entirely possible to perform a thermomigration (TM) test at the same time.
図37等の結果により、図35、図36で説明した本発明のヒータチップ109は、サーモマイグレーション(TM)試験と、エレクトロマイグレーション(EM)試験との複合試験を実施できる。
本発明は、50℃に保持したヒートシンク129上に評価サンプルを設置または配置して、複合試験を実施している。
From the results of FIG. 37 etc., the
In the present invention, a composite test is carried out by placing or disposing an evaluation sample on a
電流密度(kA/cm2)条件範囲の調査の結果では、錫(Sn)のエレクトロマイグレーション(EM)が発生すると言われている。したがって、本発明のヒータチップを使用することにより、kA/cm2台の電流密度を確保することが可能であり、サーモマイグレーション(TM)試験または/およびエレクトロマイグレーション(EM)試験を実施することができる。
以下、図面を参照しながら、図34、図35、図36等に図示する本発明のヒータチップ109の製造(作製)方法について説明する。
According to the results of the investigation of the range of current density (kA/ cm2 ) conditions, it is said that electromigration (EM) of tin (Sn) occurs. Therefore, by using the heater chip of the present invention, it is possible to secure a current density of kA/ cm2 , and it is possible to carry out a thermomigration (TM) test and/or an electromigration (EM) test.
Hereinafter, a method for manufacturing (fabricating) the
図38~図40は、本発明のヒータチップ109等の作製方法の説明図である。なお、以下の説明においても、他の実施例と同様に、類似あるいは同様の事項、内容は説明を省略することがある。また、以下の実施例においても、他の実施例と組合せ、あるいは置換えができることは言うまでもない。
Figures 38 to 40 are explanatory diagrams of a method for producing the
図38(a)に図示するSiC基板106には、他の実施例と同様に、SiC基板106の表面にマスクを塗布する。マスクとしては、アルカリ可溶タイプのアクリルポリマーを含むものが好ましい。
As in the other embodiments, a mask is applied to the surface of the
図38(b)に図示するように、フェムト秒レーザ装置(図示せず)を用いて、SiC基板106の表面を粗化する。フェムト秒レーザ光またはピコ秒レーザ光502を照射し、SiC基板106の表面の、温度プローブ116、薄膜ヒータ117、端子電極114、電流印加経路132、端子電極115、端子電極124に対応する部分を粗面化する。
As shown in FIG. 38(b), the surface of the
フェムト秒レーザ光502等の照射により、SiC基板106の温度プローブ116、薄膜ヒータ117、端子電極114、端子電極115、端子電極124、電流印加経路132に粗化面119aが形成される。
フェムト秒レーザ光502のパルスを照射することにより、薄膜ヒータ117等を形成する部分に対応するマスクの部分が除去され、凹部が形成される。
配線のパターニング(薄膜ヒータ117、温度プローブ116等)は、マスクの表面に形成されたマーク130に基づいて行ってもよい。
By irradiation with
By irradiating a pulse of
The patterning of the wiring (
SiC基板106に対し酸性脱脂剤を用い、たとえば45℃、5分の条件で脱脂を行う。塩酸系水溶液を用いてプリディップ処理を行う。保持時間は、一例として2分である。
The
次に、図31~図33等で説明したように、Ni-P膜(めっき膜)、金めっき膜112を形成し、温度プローブ116、薄膜ヒータ117、電流印加回路132、端子電極124、端子電極114、端子電極115を形成する(図38(c))。
Next, as described in Figures 31 to 33, etc., a Ni-P film (plating film) and a
電流印加経路132には、全体的に金めっき膜112を形成することにより、端子電極124aと端子電極124b間の抵抗値と低減させ、印加するEM電流128aを流れやすくする。
By forming a
図38(c)において、スルーホール(TH)131が形成されている。スルーホール(TH)131は、放電加工、レーザ加工、あるいはサンドブラスト加工により形成される。 In FIG. 38(c), a through hole (TH) 131 is formed. The through hole (TH) 131 is formed by electric discharge machining, laser machining, or sandblasting.
放電加工(electrical discharge machining、EDM)は、電極と被加工物との間に短い周期で繰り返されるアーク放電によって被加工物表面の一部を除去する機械加工の方法である。基板106に導電性がある場合に適用される。
Electrical discharge machining (EDM) is a machining method that removes part of the surface of a workpiece by repeatedly discharging an arc between an electrode and the workpiece in short cycles. It is applied when the
サンドブラスト加工は、コンプレッサーによる圧縮空気に研磨材を混ぜて吹き付けるが、細かい部品を加工する際には、より大量の研磨材を効率よく吹き付けるためにサンドブラスターという作業箱の中で加工する。 Sandblasting involves mixing abrasives with compressed air produced by a compressor and spraying the mixture, but when processing small parts, the process is carried out in a work box called a sandblaster in order to spray a larger amount of abrasives more efficiently.
レーザ加工は、フェムト秒グリーンレーザを使用することが好ましい。フェムト秒グリーンレーザは、本発明において粗化面119を行ったレーザ装置を使用することができる。したがって、新規の装置が必要でなく、好ましい。 For laser processing, it is preferable to use a femtosecond green laser. The femtosecond green laser can use the laser device that roughened the surface 119 in the present invention. Therefore, no new device is required, which is preferable.
サンドブラスト加工等の加工により、スルーホール(TH)131が作製される。スルーホール(TH)は、SiC等に基板106を貫通する穴である。なお、図38(b)、図38(c)において、スルーホール(TH)131は、矩形として図示しているが、これに限定するものではない。たとえば、円形、楕円形、六角形などの多角形でもよい。後述するが、スルーホール(TH)131は、焼結Agペーストが良好に充填できる形状であれば、いずれの形状であっても良い。
Through holes (TH) 131 are created by processing such as sandblasting. The through holes (TH) are holes that penetrate the
次に、図39(d)に図示するように、端子電極114、端子電極115、端子電極124には、高温半田126が形成または配置され、高温半田126には配線127が取り付けられる。
Next, as shown in FIG. 39(d), high-temperature solder 126 is formed or placed on
配線127e、配線127dには、サーモマイグレーション(TM)用直流電源装置803dが接続される。配線127b、配線127cには、エレクトロマイグレーション(EM)用直流電源装置803cが接続される。
放熱機能あるいは所定温度に維持する金属板(銅板または導電性が良好は基板)129と、銅プレート104間に半田層(接合層)105が形成される。
A direct current power supply device 803d for thermomigration (TM) is connected to the
A solder layer (bonding layer) 105 is formed between the
銅プレート104上に焼結Agペーストが塗付される。焼結Agペーストは、スクリーン印刷、スピンナー塗布により銅プレート104上に配置または形成される。
Sintered Ag paste is applied onto the
図39(d)に図示するように、焼結Agペースト上にヒートチップ109が配置されて、銅プレート104とヒートチップ109が接続される。この際、焼結AgペーストがSiC基板106のスルーホール131内に充填され、焼結Agペースト充填部134となる。
As shown in FIG. 39(d), the
焼結Agペーストは、常温(RT)から200℃に、30分以上60分以下の時間で昇温させる。200℃で30分以上90分の時間保持させることにより、焼結させる。焼結により、基板間の密着を実現できる。また、焼結により、3.0μΩ・cm以下の低抵抗値を有する。 The sintered Ag paste is heated from room temperature (RT) to 200°C over a period of 30 to 60 minutes. It is sintered by holding it at 200°C for 30 to 90 minutes. Sintering allows the substrates to adhere closely to each other. Sintering also results in a low resistance of 3.0 μΩ cm or less.
スルーホール(TH)131への焼結Agペーストの充填により薄膜ヒータ117aと薄膜ヒータ117bが良好な電気的接続が実現され、また、電流印加経路132と薄膜ヒータ117とが良好な電気的接続が実現する(図39(e))。
Filling the through-holes (TH) 131 with sintered Ag paste provides good electrical connection between the thin-
次に、図39(e)に図示するように、ヒータチップ109の端面からdd’線まで端面研磨される。端面研磨により、薄膜ヒータ117の端面が側面に露出する。また、必要に応じて、端面はCP(Cross section polisher)加工が実施される。
端面の研磨加工により、図40(f)に図示するように、端面に露出したスルーホール(TH)131内の焼結Agペースト充填部134が露出する。
次に、図40(f)に図示するように、銅板129に高温半田126aが半田付けされ、高温半田126aには、配線127aが接続される。
39(e), the end face of the
By polishing the end surface, the sintered Ag paste filled
Next, as shown in FIG. 40(f),
図40(g)に図示するように、接合層等評価時は、研磨加工した面にポリイミドフィルム107が貼り付けられる。もしくは、接合層105面に感光性ポリイミド膜を形成する。
赤外線サーモグラフティカメラ108は、ポリイミドフィルム107を介して、接合層105の2次元的な温度分布を測定する。
以上のように、本発明の接合層の評価方法および接合層評価装置は、接合層の評価、構成、寿命などを定量的に評価できる。
40G, when evaluating the bonding layer, etc., a
The
As described above, the bonding layer evaluation method and bonding layer evaluation device of the present invention can quantitatively evaluate the evaluation, configuration, life, etc. of the bonding layer.
図1、図2、図22、図27、図34、図39等で図示する実施例では、1つのヒータチップ109を有している構成である。ヒータチップ109の薄膜ヒータ117に通電し、接合層105等を加熱する。
The embodiments illustrated in Figures 1, 2, 22, 27, 34, 39, etc. have a configuration having one
加熱等により、接合層105等にサーモマイグレーション(TM)、エレクトロマイグレーション(EM)が発生し、サーモマイグレーション(TM)、エレクトロマイグレーション(EM)の発生、変化、構造を、測定あるいは評価あるいは検査する。
By heating or the like, thermomigration (TM) and electromigration (EM) occur in the
本発明の一実施例の形態は、ヒータチップ109裏面をHot側(加熱側)、銅プレート104側をCold側(冷却側)とする温度勾配を半田接合層105へ生じさせる。
In one embodiment of the present invention, a temperature gradient is created in the
また、生じた温度勾配を可視化するために、サーモグラフティカメラ108により観察し、ヒータチップ109裏面のNi-P膜111層(Hot側Ni-P膜111層)と銅プレート104側のNi-P膜111層(Cold側Ni-P膜111層)間の温度差から温度勾配を決定する。
In order to visualize the temperature gradient that occurs, the temperature gradient is determined from the temperature difference between the Ni-
図41は、Hot側温度(℃)と温度勾配(℃/cm)の関係を説明する説明図である。一方のグラフ(上側)は温度勾配が大きいサンプル(測定対象物)の例であり、他方のグラフ(下側)は温度勾配が小さいサンプル(測定対象物)の例である。 Figure 41 is an explanatory diagram showing the relationship between the hot side temperature (°C) and the temperature gradient (°C/cm). One graph (upper side) is an example of a sample (measurement object) with a large temperature gradient, and the other graph (lower side) is an example of a sample (measurement object) with a small temperature gradient.
サンプル(測定対象物)は、Hot側温度(℃)に対する温度勾配(℃/cm)が大きいものがあり、サンプル(測定対象物)は、Hot側温度(℃)に対する温度勾配(℃/cm)が小さいものもあり、また、作製するサンプルでも、Hot側温度(℃)に対する温度勾配(℃/cm)のバラツキが大きい。これは、接合層105の状態、銅プレート104と接合層105との接合状態等で発生する。
Some samples (objects to be measured) have a large temperature gradient (°C/cm) relative to the hot side temperature (°C), while others have a small temperature gradient (°C/cm) relative to the hot side temperature (°C). Even among the samples to be produced, there is a large variation in the temperature gradient (°C/cm) relative to the hot side temperature (°C). This occurs due to the state of the
図41では、温度勾配が小さいサンプルは、Hot側温度が175℃付近でTMが発生している。温度勾配が大きいサンプルは、Hot側温度が150℃付近でTMが発生している。したがって、温度勾配により、TMの発生温度が異なる。 In Figure 41, in the sample with a small temperature gradient, TM occurs when the hot side temperature is around 175°C. In the sample with a large temperature gradient, TM occurs when the hot side temperature is around 150°C. Therefore, the temperature at which TM occurs varies depending on the temperature gradient.
サンプル構造を変えて温度勾配を変化する場合、連続的に変化させることは困難である場合が多い。また、同一サンプル構造でも数百℃/cmの差異が発生する。
良好なEM観察、TM観察を実施するためには、温度勾配を任意に制御することを可能にする必要がある。
When changing the temperature gradient by changing the sample structure, it is often difficult to change it continuously, and even with the same sample structure, differences of several hundred degrees Celsius/cm occur.
In order to perform good EM and TM observations, it is necessary to be able to arbitrarily control the temperature gradient.
接合層105におけるEM、TMの評価には、サンプル(測定対象物)の温度勾配による影響を受けないようにできることが好ましい。また、各サンプル(測定対象物)は、Hot側温度(℃)の温度に影響を受けず、一定の温度でEM、TMの発生等を観察できることが好ましい。
図42は、本発明のヒータチップ、ヒータチップおよび接合層を有する構成物の説明図、接合層の評価方法、測定方法、検査方法の説明図である。
図42では、接合層として、錫(Sn)層301、ソルダレジスト(SR)層302を有する接合層304として図示し、また、説明をする。
It is preferable that the evaluation of EM and TM in the
FIG. 42 is an explanatory diagram of the heater chip of the present invention, a configuration having the heater chip and a bonding layer, and an explanatory diagram of an evaluation method, a measurement method, and an inspection method of the bonding layer.
In FIG. 42, the bonding layer is illustrated as a
図42等において、ヒータチップ109は、図2、図7、図16、図17、図27、図28、図34、図38等の本明細書で説明するものを適用することができることは言うまでもない。
In FIG. 42 etc., it goes without saying that the
本明細書では、ヒータチップ109として説明するが、チップ形状に限定されるものでなく、基板形状、フィルム形状、立体形状、平面形状、板形状、円弧形状等の他の形状であっても、本発明の技術的思想が適用できることは言うまでもない。
In this specification, the
ヒータチップ109には、SiC基板106等に少なくとも発熱手段として薄膜ヒータ117のヒータが形成されている。薄膜ヒータ117には端子電極115が形成され、端子電極115には高温半田126により、配線127(図示せず)が接続され、電流電源装置803(図示せず)により、薄膜ヒータ117に電流が供給され、薄膜ヒータ117が発熱して、接合部304等を加熱する。
The
図42に図示するように、ヒータチップ109aは、銅プレート104a(Hot側銅プレート)と、焼結Ag層125a(焼結Agペースト等)により、接合されている。ヒータチップ109bは、銅プレート104b(Cold側銅プレート)と、焼結Ag層125b(焼結Agペースト等)により、接合されている。
As shown in FIG. 42, the
銅プレート104にはNi-P膜(めっき膜)111が形成される。接合層304はNi-P膜(めっき膜)111aを介して、銅プレート104aと接合層304とが接合されている。また、接合層304はNi-P膜(めっき膜)111bを介して、銅プレート104bと接合層304とが接合されている。
A Ni-P film (plating film) 111 is formed on the
接合層304の上側と下側には、それぞれヒータチップ109が取り付けられ、各ヒータチップ109の薄膜ヒータ117には、独立して電流が印加することができる。また、薄膜ヒータ117aと薄膜ヒータ117bとに印加する電流は、独立して調整、可変できるように構成されている。
図42において、ヒータチップ109は接合層304の上面と下面の2個であるが、これに限定するものではない。たとえば、3個以上のヒータチップ109を使用あるいは配置しても良いことは言うまでもない。たとえば、上面と下面に加えて、銅プレート104の側面にヒータチップ109を使用あるいは配置した構成が例示される。
In FIG. 42, there are two
図43は、図42で説明した複数のヒータチップ109を使用した本発明の接合層評価構成を、ヒートシンク129(放熱板)に配置または取り付けた構成の説明図である。
Figure 43 is an explanatory diagram of a configuration in which the bonding layer evaluation configuration of the present invention using
ヒートシンク129に銅プレート104bがボルト305のより取り付けられている。なお、取付けはボルト305に限定するものではなく、銅プレート104bを圧接接続しても良いし、また、クリップ等で押圧をかけて取り付けても良い。銅プレート104bとヒートシンク129間には放熱(伝熱)グリス(図示せず)を塗布することが好ましい。
The
接合層304は、Hot側銅プレート104aに形成されたNi-P膜(めっき膜)111aとCold側銅プレート104bに形成されたNi-P膜(めっき膜)111b間に挟持される構成で配置される。
The
Hot側銅プレート104aには、焼結Agペースト125aを介してヒータチップ109aが取り付けられる。Cold側銅プレート104bには、焼結Agペースト125bを介してヒータチップ109bが取り付けられる。
The
ヒータチップ109aの薄膜ヒータ117aは、電流電源装置803aにより電流を印加する。電流の大きさを可変することにより、薄膜ヒータ117aは発熱し、また、発熱量が可変される。ヒータチップ109bの薄膜ヒータ117bは、電流電源装置803bにより電流を印加する。電流の大きさを可変することにより、薄膜ヒータ117bは発熱し、また、発熱量が可変される。
A current is applied to the thin-
図43等では図示していないが、接合層304に電界を印加し、また、電子が移動するように、電圧印加手段が配置され、印加電圧が可変できるように構成されている。
Although not shown in FIG. 43 etc., a voltage application means is arranged to apply an electric field to the
以上のように、電流電源装置803a、電流電源装置803bにより、薄膜ヒータ117a、薄膜ヒータ117bに印加する電流を独立して変化させることができる。したがって、薄膜ヒータ117aによる加熱温度Taと、薄膜ヒータ117bによる加熱温度Tbとを自由に設定することができる。
As described above, the currents applied to the thin-
図42、図43等では、温度プローブ116は図示していないが、ヒータチップ109の温度は、図1、図2、図7、図17、図25、図34、図36等で説明したように、温度プローブ116で温度または温度情報を取得する。
The
図44は、図42、図43で説明した構成による本発明の接合層の評価方法の説明図である。図44において、接合層304に、電子eの移動が発生するように、電界あるいは電圧を印加している。
Figure 44 is an explanatory diagram of the method for evaluating the bonding layer of the present invention using the configuration described in Figures 42 and 43. In Figure 44, an electric field or voltage is applied to the
図44(a)はヒータチップ109aの温度をTa0℃とし、ヒータチップ109bの温度をTb0℃としている。図44(b)はヒータチップ109aの温度をTa1℃とし、ヒータチップ109bの温度をTb1℃としている。図44(c)はヒータチップ109aの温度をTa2℃とし、ヒータチップ109bの温度をTb2℃としている。図44(a)は初期であり、図44(c)は終期と想定している。
ヒータチップ109aの温度は、Ta0 > Ta1 > Ta2とし、ヒータチップ109bの温度は、Tb0 > Tb1 > Tb2とする。
図1、図6、図15、図40で説明したように、接合層304の錫(Sn)層301の温度を赤外線カメラ108で温度の変化、温度を測定あるいは評価する。
In Fig. 44(a), the temperature of the
The temperature of the
As described with reference to FIGS. 1, 6, 15 and 40, the temperature of the tin (Sn)
EM試験あるいはEM評価の場合、図44(a)の初期では、錫(Sn)層301は数℃上昇する。図44(b)では、錫(Sn)層301は数十℃上昇する。図44(c)の終期では、錫(Sn)層301は100~200℃上昇する。
In the case of EM testing or EM evaluation, in the early stage of FIG. 44(a), the tin (Sn)
試験中断の基準は、はんだ層のジュール発熱による温度上昇が試験温度を超える場合である。たとえば、30kA/cm2条件では、73h時点ではんだ層の発熱が200℃を超えるため、試験中断する。 The test was stopped when the temperature rise due to Joule heating of the solder layer exceeded the test temperature. For example, under the condition of 30 kA/ cm2 , the heat generated by the solder layer exceeded 200°C at the 73-hour mark, so the test was stopped.
図44の本発明の接合層の評価方法では、温度Taと温度Tbを独立して可変あるいは設定することができる。したがって、30kA/cm2程の高電流密度でも溶断しないEM試験が可能になる。 44, the temperature Ta and the temperature Tb can be varied or set independently. Therefore, EM testing can be performed without melting even at a high current density of about 30 kA/ cm2 .
図45、図46は、図44での温度勾配制御方法の説明図である。図45は、図46(a)の温度分布データについて、接合層304部の構成と対比した説明図面である。
Figures 45 and 46 are explanatory diagrams of the temperature gradient control method in Figure 44. Figure 45 is an explanatory diagram comparing the temperature distribution data in Figure 46 (a) with the configuration of the
図46(a1)は、0℃/cmの温度分布データを示す。図46(a2)は、500℃/cmの温度分布データを示す。図46(a3)は、1000℃/cmの温度分布データを示す。図46(a4)は、1500℃/cmの温度分布データを示す。図46(a5)は、2000℃/cmの温度分布データを示す。 Figure 46 (a1) shows temperature distribution data at 0°C/cm. Figure 46 (a2) shows temperature distribution data at 500°C/cm. Figure 46 (a3) shows temperature distribution data at 1000°C/cm. Figure 46 (a4) shows temperature distribution data at 1500°C/cm. Figure 46 (a5) shows temperature distribution data at 2000°C/cm.
図46(b)は、Hot側銅プレート104aからCold側銅プレート104bの温度と、図46(a)の各温度勾配に対する関係をグラフ化した図面である。図46(b)の四角枠は温度勾配測定箇所を示す。
Figure 46(b) is a graph showing the relationship between the temperature from the hot
図46(b)に図示するように、本発明の接合層の評価方法では、ヒータチップ109aとヒータチップ109bの発熱を独立して制御することにより、Hot側銅プレート104aとCold側銅プレート104bの温度を任意に設定できる。また、温度勾配も任意に設定することができる。
したがって、したがって、高電流密度でも溶断しないEM試験が可能になり、また、適切なTM試験が可能である。
46(b), in the method for evaluating a bonding layer of the present invention, the temperatures of the hot-
Therefore, EM testing can be performed without melting even at high current densities, and appropriate TM testing can also be performed.
以上、本明細書において、実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
本明細書および図面に記載した事項あるいは内容は、相互に組み合わせることができることは言うまでもない。
Although the present specification has described the present invention in detail based on the embodiments, the present invention is not limited thereto, and various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
It goes without saying that the matters or contents described in this specification and the drawings can be combined with each other.
電極間の接合層等を、温度分布の測定データに基づいて、非破壊で、接合層の劣化を容易に検出することが可能となる。また、半田接合層等の寿命の評価を容易に行うことが可能となる。また、劣化の検知および寿命の評価の信頼性評価に利用できる。 It is now possible to easily detect deterioration of the bonding layer between electrodes, etc., non-destructively, based on measurement data of temperature distribution. It also makes it easy to evaluate the lifespan of solder bonding layers, etc. It can also be used to detect deterioration and evaluate the reliability of lifespan evaluation.
101 加熱冷却プレート
102 循環水パイプ
103 チラー
104 銅プレート
105 半田層(接合層、接合部)
106 SiC基板
107 ポリイミドシート(ポリアミド)
108 赤外線サーモグラフティカメラ
109 ヒータチップ
110 XYZステージ
111 Ni-P膜(めっき膜)
112 金めっき膜
114 温度プローブ端子電極(金めっき膜)
115 薄膜ヒータ端子電極(金めっき膜)
116 温度プローブ(Ni-P膜)
117 薄膜ヒータ(Ni-P膜)
118 放熱(伝熱)グリス
119 粗化面
120 マスキングテープ
121 リード線
122 電圧計
123 半田
124 エレクトロマイグレーション(EM)端子電極(金めっき膜)
125 焼結Agペースト充填層
126 高温半田
127 配線
128 電流
129 銅板(放熱板)
130 十字マーク
131 スルーホール(TH)
132 電流印加経路
134 焼結Agペースト充填部
301 錫(Sn)層
302 ソルダレジスト(SR)層
304 接合層(接合部)
305 ボルト
501 マスク(アルカリ可溶性タイプアクリルポリマー含む)
502 レーザ光(フェムト秒レーザ光)
503 凹部
504 Sn-Pd触媒
801 スイッチ回路
802 定電流回路
803 電流電源装置
804 制御回路
901 拡散部
101 heating/
106
108
112
115 Thin film heater terminal electrode (gold plating film)
116 Temperature probe (Ni-P film)
117 Thin film heater (Ni-P film)
118 heat dissipation (heat transfer) grease 119 roughened
125 Sintered Ag paste filling layer 126
132
305
502 Laser light (femtosecond laser light)
503
Claims (9)
前記ベース基板の第1の面に配置されたヒータと、
前記ベース基板の第1の面に、前記ヒータに隣接して配置された電流印加経路と、
第1のプレートと、
第1の基板またはシートと、
前記第1のプレートと前記第1の基板またはシート間に形成された接合層と、
前記接合層に接して配置された樹脂膜または樹脂フィルムと、
前記樹脂膜または樹脂フィルムを介して、前記接合層の温度を測定する温度測定装置と、
前記第1のプレートと前記ベース基板とを接合する充填層と、
前記ヒータと前記電流印加経路間に、第1の電流を印加する第1の電源装置を具備し、
前記ヒータが発生した熱は前記接合層を加熱することを特徴とするマイグレーション評価装置。 A base substrate having insulating or semiconducting properties;
a heater disposed on a first surface of the base substrate;
a current application path disposed adjacent to the heater on a first surface of the base substrate;
A first plate;
a first substrate or sheet;
a bonding layer formed between the first plate and the first substrate or sheet;
A resin membrane or a resin film arranged in contact with the bonding layer;
a temperature measuring device for measuring a temperature of the bonding layer through the resin membrane or resin film;
a filling layer that bonds the first plate and the base substrate;
a first power supply device that applies a first current between the heater and the current application path ;
The migration evaluation device is characterized in that the heat generated by the heater heats the bonding layer .
前記ベース基板の第1の面に配置されたヒータと、
前記ベース基板の第1の面に、前記ヒータに隣接して配置された電流印加経路と、
前記ヒータと前記電流印加経路間に、第1の電流を印加する第1の電源装置と、
前記ヒータに、第2の電流を印加する第2の電源装置と、
第1のプレートと、
第1の基板またはシートと、
前記第1のプレートと前記第1の基板またはシート間に形成された接合層と、
前記接合層に接して配置された樹脂膜または樹脂フィルムと、
前記樹脂膜または樹脂フィルムを介して、前記接合層の温度を測定する温度測定装置と、
前記第1のプレートと前記ベース基板とを接合する充填層を具備し、
前記ヒータが発生した熱は前記接合層を加熱し、
前記第1の電流は、前記充填層を介して、前記電流印加経路に印加されることを特徴とするマイグレーション評価装置。 A base substrate having insulating or semiconducting properties;
a heater disposed on a first surface of the base substrate;
a current application path disposed adjacent to the heater on a first surface of the base substrate;
a first power supply device that applies a first current between the heater and the current application path;
a second power supply device that applies a second current to the heater;
A first plate;
a first substrate or sheet;
a bonding layer formed between the first plate and the first substrate or sheet;
A resin membrane or a resin film arranged in contact with the bonding layer;
a temperature measuring device for measuring a temperature of the bonding layer through the resin membrane or resin film;
a filling layer that bonds the first plate and the base substrate;
The heat generated by the heater heats the bonding layer,
The migration evaluation device, wherein the first current is applied to the current application path through the filling layer.
前記ベース基板の第1の面に配置されたヒータと、
前記ベース基板の第1の面に、前記ヒータに隣接して配置された電流印加経路と、
第1のプレートと、
第1の基板またはシートと、
前記第1のプレートと前記第1の基板またはシート間に形成された接合層と、
前記接合層に接して配置された樹脂膜または樹脂フィルムと、
前記樹脂膜または樹脂フィルムを介して、前記接合層の温度を測定する温度測定装置と、
前記第1のプレートと前記ベース基板とを接合する充填層を具備し、
前記ヒータが発生した熱は前記接合層を加熱することを特徴とするマイグレーション評価装置。 A base substrate having insulating or semiconducting properties;
a heater disposed on a first surface of the base substrate;
a current application path disposed adjacent to the heater on a first surface of the base substrate;
A first plate;
a first substrate or sheet;
a bonding layer formed between the first plate and the first substrate or sheet;
A resin membrane or a resin film arranged in contact with the bonding layer;
a temperature measuring device for measuring a temperature of the bonding layer through the resin membrane or resin film ;
a filling layer that bonds the first plate and the base substrate ;
The migration evaluation device is characterized in that the heat generated by the heater heats the bonding layer .
前記ベース基板の第1の面に配置されたヒータと、
前記ベース基板の第1の面に、前記ヒータに隣接して配置された電流印加経路と、
前記ベース基板の第1の面に配置され、前記ヒータの温度により抵抗値が変化する温度プローブと、
第1のプレートと、
第1の基板またはシートと、
前記第1のプレートと前記第1の基板またはシート間に形成された接合層と、
前記接合層に接して配置された樹脂膜または樹脂フィルムと、
前記樹脂膜または樹脂フィルムを介して、前記接合層の温度を測定する温度測定装置と、
前記第1のプレートと前記ベース基板とを接合する充填層を具備し、
前記ヒータが発生した熱は前記接合層を加熱し、
前記ベース基板は、貫通する穴が形成され、
前記充填層は、前記第1のプレートと前記ベース基板とを接合し、前記貫通する穴に充填され、
前記充填層は前記ヒータと接続されていることを特徴とするマイグレーション評価装置。 A base substrate having insulating or semiconducting properties;
a heater disposed on a first surface of the base substrate;
a current application path disposed adjacent to the heater on a first surface of the base substrate;
a temperature probe disposed on a first surface of the base substrate, the resistance value of the temperature probe varying depending on the temperature of the heater;
A first plate;
a first substrate or sheet;
a bonding layer formed between the first plate and the first substrate or sheet;
A resin membrane or a resin film arranged in contact with the bonding layer;
a temperature measuring device for measuring a temperature of the bonding layer through the resin membrane or resin film;
a filling layer that bonds the first plate and the base substrate ;
The heat generated by the heater heats the bonding layer,
The base substrate has a through hole formed therein,
the filling layer bonds the first plate and the base substrate and fills the through hole;
The migration evaluation device is characterized in that the filling layer is connected to the heater.
前記ベース基板の第1の面に配置されたヒータと、
前記ベース基板の第1の面に、前記ヒータに隣接して配置された電流印加経路と、
前記ヒータと前記電流印加経路間に、第1の電流を印加する第1の電源装置と、
前記ヒータに、第2の電流を印加する第2の電源装置と、
第1のプレートと、
第1の基板またはシートと、
前記第1のプレート間と前記ベース基板とを接合する充填層と、
前記第1のプレートと前記第1の基板またはシート間に形成された接合層と、
前記接合層に接して配置された樹脂膜または樹脂フィルムと、
前記樹脂膜または樹脂フィルムを介して、前記接合層の温度を測定する温度測定装置を具備し、
前記ヒータが発生した熱は前記接合層を加熱することを特徴とするマイグレーション評価装置。 A base substrate having insulating or semiconducting properties;
a heater disposed on a first surface of the base substrate;
a current application path disposed adjacent to the heater on a first surface of the base substrate;
a first power supply device that applies a first current between the heater and the current application path;
a second power supply device that applies a second current to the heater;
A first plate;
a first substrate or sheet;
a filling layer that bonds the first plate and the base substrate;
a bonding layer formed between the first plate and the first substrate or sheet;
A resin membrane or a resin film arranged in contact with the bonding layer;
A temperature measuring device is provided for measuring a temperature of the bonding layer through the resin membrane or resin film ,
The migration evaluation device is characterized in that the heat generated by the heater heats the bonding layer .
前記ヒータは、NiとNi-Pのうち、少なくともいずれかで形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載のマイグレーション評価装置。 the base substrate is silicon carbide (SiC);
6. The migration evaluation device according to claim 1, wherein the heater is made of at least one of Ni and Ni--P.
前記薄膜ヒータの膜厚は、0.1(μm)以上7.5(μm)以下であり、
前記薄膜ヒータの膜厚のシート抵抗値(Ω/sq)は、0.25(Ω/sq)以上1.00(Ω/sq)であることを特徴とする請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載のマイグレーション評価装置。 the heater is a thin film heater,
The film thickness of the thin film heater is 0.1 (μm) or more and 7.5 (μm) or less,
6. The migration evaluation device according to claim 1, wherein the sheet resistance (Ω/sq) of the film thickness of the thin film heater is 0.25 (Ω/sq) or more and 1.00 (Ω/sq).
前記接合層は、半田で構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載のマイグレーション評価装置。 the base substrate is silicon carbide (SiC);
6. The migration evaluation device according to claim 1, wherein the bonding layer is made of solder.
前記温度測定装置は、前記移動ステージに積載され、
前記移動ステージを移動させて、前記接合層の温度または温度差または温度分布を測定することを特徴とする請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載のマイグレーション評価装置。 Further comprising a moving stage,
The temperature measuring device is mounted on the moving stage,
6. The migration evaluation apparatus according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the moving stage is moved to measure the temperature, the temperature difference or the temperature distribution of the bonding layer.
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